南京工业大学刘庆丰教授等在Responsive Materials期刊发表论文

近日，南京工业大学刘庆丰教授与澳大利亚昆士兰科技大学陈志刚教授等在Responsive Materials期刊上发表题为《Two-step annealing process drives high thermoelectricperformance of n-type Bi2Te3 flexible films》的研究论文。论文的核心内容是开发了一种创新的两步退火工艺，通过结合原位退火和后续退火，成功克服了传统磁控溅射制备n型Bi₂Te₃柔性热电薄膜的固有瓶颈低载流子迁移率。

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本文提出原位+后退火两步工艺，显著提升磁控溅射制备的n型Bi₂Te₃柔性热电薄膜性能。该方法促进晶粒长大、强化 (00l) 晶面择优取向，使载流子迁移率大幅提升，并通过Bi_Te反位缺陷优化载流子浓度，获得高功率因子与功率密度，薄膜弯曲稳定性优异，证明两步退火可有效提升Bi₂Te₃基薄膜热电性能。

首先，通过X射线衍射和扫描电镜等数据，详细展示了两步退火工艺对薄膜微观结构的优化过程。XRD图谱显示，沉积态薄膜仅有一个强的（015）峰，结晶性差；经过原位退火后，出现了（006）、（1010）等峰，表明这一步促进了初始结晶和晶粒成核；而后续退火后，所有特征峰都变得更加尖锐和强烈，证明晶粒尺寸显著增大，结晶度大幅提高。（015）峰的半高宽从0.91°锐减至0.27°，是晶粒长大的直接证据。SEM图像直观地展示了这一演变：沉积态薄膜表面粗糙多孔；原位退火后变得致密，晶粒增大；后续退火后则形成了明显的层状大晶粒结构，平均尺寸从~150 nm增至~400 nm。作者将此归因于奥斯特瓦尔德熟化机制，即小颗粒溶解并在大颗粒上再沉积，从而驱动晶粒择优生长。

通过Lotgering因子计算发现，（00l）面的取向因子从沉积态的0增强至后续退火后的~0.53，而（015）面取向因子则从~0.8降至~0.28，表明（00l）织构被显著强化。极图分析进一步证实，后续退火是形成高度集中、强烈c轴择优取向的关键步骤。成分分析显示，薄膜中Te的化学计量比从沉积态的2.84逐渐降至退火后的2.30，这归因于退火过程中Te的挥发。这种成分变化诱导了Bi_Te反位缺陷的形成，而这正是优化载流子浓度的关键机制。高分辨TEM图像展示了高度有序的晶格条纹和均匀的应变分布，证实了薄膜具有良好的结晶质量。

随后，作者系统展示了两步退火带来的电学性能提升。室温电导率从94.94 S/cm提升至273.04 S/cm。载流子浓度从较高的2.09×10²⁰ cm^-3优化至更理想的1.29×10¹⁹ cm^-3，这主要归因于BiTe反位缺陷的引入。最重要的突破是载流子迁移率，从2.84 cm²V^-1s^-1飞跃至132.54 cm²V^-1s^-1。结合单抛物带模型分析，这种迁移率的巨大提升主要源于形变势的降低，即强化的（00l）织构减少了载流子在范德华间隙处的散射。同时，塞贝克系数（绝对值）从-68.64 μV/K增加至-230.45 μV/K，这是载流子浓度降低的体现。最终，优化的载流子浓度与极高的迁移率协同作用，使得室温功率因子达到14.5 μW cm^-1K^-2，相比沉积态（0.45 μW cm^-1K^-2）提升了超过30倍。

弯曲测试表明，经过1000次弯曲循环后，薄膜的归一化电阻变化率（R/R₀）仅为6.75%，证明了其优异的柔韧性和稳定性。研究人员将优化后的薄膜组装成六腿柔性热电器件。在30 K的温差下，器件最大输出功率达到353.59 nW，对应的功率密度高达545.66 μW cm^-2，性能处于同类柔性器件的领先水平。作为概念验证，该器件佩戴在人体手臂上，利用皮肤与环境之间约2.43 K的温差，成功产生了2.3 mV的开路电压，展示了其在可穿戴温差发电领域的实际应用潜力。

本研究揭示了两步退火工艺通过促进晶粒生长和强化（00l）织构，在提升Bi₂Te₃薄膜迁移率和电学性能方面起到了关键作用。该方法将迁移率提升至132.54 cm²V^-1s^-1，同时将载流子浓度优化至1.29×10¹⁹ cm^-3，从而实现了14.5 μW cm^-1K^-2的高功率因子。相应的柔性热电器件表现出高输出功率密度和优异的弯曲稳定性。这项工作证明了两步退火是开发高性能Bi₂Te₃基柔性热电器件的有效策略。

本文第一作者为南京工业大学尹梁操、陆新华、侯纪伟和澳大利亚昆士兰大学刘伟迪，通讯作者为南京工业大学的刘庆丰教授与澳大利亚昆士兰科技大学陈志刚教授，南京工业大学是本文的第一单位。

Responsive Mater. 2026, e70056.

DOI: 10.1002/rpm2.70056

编辑 | 张子怡

审核 | 邢俊飞