熱電轉(zhuǎn)換效率是衡量熱電材料性能的核心指標(biāo)。當(dāng)前，柔性熱電薄膜憑借可貼合不規(guī)則熱源、減少熱能損耗的特性，成為提升熱電效率的關(guān)鍵方向。其中，有機(jī)/無機(jī)雜化柔性熱電薄膜兼具組分可調(diào)性與低成本制備優(yōu)勢(shì)（如絲網(wǎng)印刷法），但常規(guī)的產(chǎn)品熱電轉(zhuǎn)換效率遠(yuǎn)低于工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)（熱電轉(zhuǎn)換效率＞1），成為制約領(lǐng)域發(fā)展的核心瓶頸。

為了進(jìn)一步提升熱電轉(zhuǎn)換效率，學(xué)界通過材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或成分調(diào)控實(shí)現(xiàn)參數(shù)獨(dú)立優(yōu)化，即“解耦”，常見路徑包括電、熱輸運(yùn)通道分離、優(yōu)化載流子結(jié)構(gòu)、電子熱導(dǎo)率與晶格熱導(dǎo)率解耦等。武漢理工大學(xué)趙文俞團(tuán)隊(duì)提出的新型解耦策略，為該領(lǐng)域提供了創(chuàng)新性解決方案。

趙文俞團(tuán)隊(duì)在Bi_0.5Sb_1.5Te₃/環(huán)氧樹脂柔性薄膜中，嵌入Fe和Fe?O?納米粒子（磁功能元件，MFEs），利用載流子自旋與納米磁性的交換作用，將載流子分裂為自旋向上與自旋向下的導(dǎo)電支路。兩條支路具有不同的電阻率和遷移率，實(shí)現(xiàn)了熱電性能的精準(zhǔn)調(diào)控。

該薄膜中，無機(jī)組分Bi_0.5Sb_1.5Te₃（BST）是室溫下優(yōu)質(zhì)的熱電材料，有機(jī)組分絕緣環(huán)氧樹脂滿足低成本、易加工需求。最終，該復(fù)合薄膜的室溫?zé)犭娹D(zhuǎn)換效率達(dá)到 1.2-1.4，成功突破商用閾值。相關(guān)成果以《Nanomagnetism Triggering Carriers Double-Resistance Conduction and Excellent Flexible Thermoelectrics》為題，發(fā)表在Advanced Materials上^[1]。

該理論的驗(yàn)證，依賴于精準(zhǔn)的熱電參數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)。美國 Quantum Design 公司的3T 無液氦綜合物性測(cè)量系統(tǒng) VersaLab，搭載熱輸運(yùn)測(cè)量選件（TTO），完成了 300-500K 溫度區(qū)間內(nèi)的熱導(dǎo)率等關(guān)鍵參數(shù)表征，為理論成立提供了核心數(shù)據(jù)支撐。

圖1 在300–500 K溫度下厚度為60 μm的Fe00和Fe0x材料及其PI基板平面熱電特性。a) 電導(dǎo)率σ、b) 塞貝克系數(shù)α、c) 熱導(dǎo)率κ d)      功因zT的溫度依賴性。(b,c)圖中的插圖分別顯示功率因子α2σ與雙極熱導(dǎo)率κ Bip。

VersaLab 作為 Quantum Design PPMS 系列的經(jīng)濟(jì)型產(chǎn)品，雖體積小巧，卻整合了磁、電、熱多維度測(cè)量功能，尤其適配熱電材料等前沿領(lǐng)域的研究需求。設(shè)備采用了3T超導(dǎo)磁體和制冷機(jī)來提供高均勻的磁場(chǎng)環(huán)境和便利的變溫（50-400K）測(cè)量環(huán)境，搭配的各類電學(xué)、熱學(xué)、磁學(xué)測(cè)量選件，可完成各類物性測(cè)量。

VersaLab無液氦綜合物性測(cè)量系統(tǒng)（左）、熱輸運(yùn)測(cè)量模塊（右）

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主機(jī)特點(diǎn)：

VersaLab主機(jī)系統(tǒng)及其創(chuàng)始人

熱輸運(yùn)選件可以同時(shí)測(cè)量樣品的熱傳導(dǎo)系數(shù)、塞貝克系數(shù)和交流電阻率，并根據(jù)這三個(gè)測(cè)量結(jié)果計(jì)算出熱電材料的品質(zhì)因子。樣品采用專用的樣品托，適用于各類熱電材料測(cè)量，樣品的安裝操作十分方便。

比熱測(cè)量選件

比熱是物理學(xué)研究的一項(xiàng)重要熱學(xué)參數(shù)，由于比熱測(cè)試影響因素較多，通常的測(cè)試設(shè)備很難獲得高質(zhì)量的比熱測(cè)量數(shù)據(jù)。VersaLab系統(tǒng)采用熱弛豫法，軟件中有加入了雙T模型技術(shù)對(duì)弛豫曲線進(jìn)行擬合，即可獲得高質(zhì)量比熱數(shù)據(jù)。樣品安裝方面，系統(tǒng)巧妙的設(shè)計(jì)了一個(gè)專用安裝樣品臺(tái)，利用“吸塵器”式負(fù)壓設(shè)計(jì)，讓樣品簡(jiǎn)單安裝的同時(shí)，還保護(hù)了樣品托接線不受損壞，大大減少了實(shí)驗(yàn)人員操作難度。

比熱樣品托和專用樣品安裝臺(tái)

振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)選件磁學(xué)測(cè)量為VersaLab主機(jī)包含的功能，可以全自動(dòng)進(jìn)行各種高精度磁學(xué)測(cè)量如磁滯回線、熱磁曲線、高溫磁學(xué)、初始磁化曲線、剩磁以及磁化數(shù)據(jù)的時(shí)間函數(shù)等，其磁矩靈敏度可以達(dá)到10^-6emu，滿足大部分磁性材料測(cè)試需求。此外，系統(tǒng)可選用高溫樣品桿，實(shí)現(xiàn)最高1000K的磁性測(cè)量。

交流磁化率選件

系統(tǒng)同樣支持交流磁化率選件功能，該選件采用特殊的探測(cè)線圈和VSM振動(dòng)馬達(dá)，一次測(cè)量就能獲得樣品的交流磁化率（實(shí)虛部分開）和直流磁化強(qiáng)度信號(hào)。交流磁化率選件采用鎖相放大技術(shù)，以及五點(diǎn)測(cè)量模式，有效的消除溫度漂移，測(cè)量更準(zhǔn)確，交流模式下可以實(shí)現(xiàn)10^-8 emu的測(cè)量靈敏度。

交流磁化率選件

扭矩磁強(qiáng)計(jì)選件

扭矩磁強(qiáng)計(jì)選件是Quantum Design與IBM公司聯(lián)合研發(fā)，專門用于需要表征磁各向異性的小樣品（單晶、薄膜）而設(shè)計(jì)。該選件巧妙的使用了扭矩力、壓電傳感電阻，并用惠斯通電橋準(zhǔn)確測(cè)量扭矩，從而獲得磁化強(qiáng)度，具有10^-7emu的零名都，其測(cè)試數(shù)據(jù)精度可以與SQUID相媲美。

扭矩磁強(qiáng)計(jì)選件

VersaLab綜合物性測(cè)量系統(tǒng)支持直流電學(xué)和交流電學(xué)測(cè)試，允許用戶在3T、50-400K的環(huán)境下全自動(dòng)的進(jìn)行諸如直流電阻、交流電阻、微分電阻、磁電阻、伏安特性和霍爾效應(yīng)的一系列電學(xué)測(cè)量。每次最多可以測(cè)兩個(gè)樣品，結(jié)合全自動(dòng)樣品轉(zhuǎn)桿，還可以進(jìn)行各向異性的電學(xué)測(cè)量。

電學(xué)測(cè)量選件、樣品托及樣品安裝臺(tái)