研究人员通过原子空位工程，制造出了一种柔性半导体，它能高效地将体温转化为电能。这一创新为可穿戴设备带来了新的可能性，将柔韧性和高热电性能结合在一起。

昆士兰科技大学 (QUT) 的研究人员发现了一种新材料，可作为可穿戴设备的柔性半导体。他们的方法是操控晶体结构中原子之间的空位，即“晶格空位”。

在《自然·通讯》（Nature Communications）这一权威期刊上发表的一项研究中，该团队展示了“空位工程”如何显著提高AgCu(Te,Se,S)半导体（一种由银、铜、碲、硒和硫组成的合金）的性能。通过精确控制原子空位，他们提高了该材料将体温转化为电能的能力，这是为可穿戴技术供电的关键功能。

空位工程涉及在晶体中人为地创造和管理空原子位点。通过调整这些空位，研究人员可以改变材料的机械、电学和热学性质，从而实现诸如提高能量转换效率和柔韧性的创新。

除第一作者南海李之外，昆士兰科技大学参与本研究的研究人员还包括史晓磊博士、刘思琪、曹天意、张敏、吕万玉、刘伟迪、齐东辰和陈志钢教授，他们均来自昆士兰科技大学碳中和零排放发电澳大利亚研究理事会研究中心、昆士兰科技大学化学与物理学院以及昆士兰科技大学材料科学中心。

合成柔性半导体

《自然·通讯》杂志上的这篇文章详细介绍了昆士兰科技大学研究人员在先进计算设计的指导下，通过一种简单且成本效益高的熔融方法合成柔性AgCu（Te，Se，S）半导体的过程。李先生表示，精确控制材料的原子空位不仅提高了其将热能转化为电能的能力，还赋予了材料出色的机械性能，这意味着它可以被塑造为不同的形状，以适应更复杂的实际应用。

为了证明这种材料的实际应用潜力，研究人员基于这种材料设计了几个不同的微型柔性装置，这些装置可以轻松地附着在人的手臂上。

应对可穿戴技术的关键挑战

李先生表示，该研究解决了如何提高 AgCu(Te, Se, S) 半导体的热电转换能力，同时仍具备柔韧性和可拉伸性的挑战，而这些特性正是可穿戴设备所追求的。

李先生说：“在过去的几十年里，热电材料因其独特的将热能转化为电能的能力而广受关注，这一转化过程不会产生污染、噪音，也不需要活动部件。”

人体作为一个持续的热源，与周围环境存在一定的温差，而我们运动时，会产生更多的热量，人体与环境之间的温差也会更大。

陈教授表示，随着柔性电子技术的飞速发展，柔性热电装置的需求显著增加，昆士兰科技大学的研究人员在这一领域的研究中处于前沿地位。

在《科学》杂志上发表的另一项近期研究中，陈教授和澳大利亚研究理事会碳中和零排放发电研究中心的研究人员开发了一种超薄柔性薄膜，这种薄膜可利用体温为下一代可穿戴设备供电，从而无需电池。

柔性热电装置的未来

“推动柔性热电技术发展的关键在于探索广泛的可能性，”陈教授说。

“目前，主流柔性热电装置主要采用无机薄膜热电材料、沉积在柔性基板上的有机热电材料以及这两者的混合复合材料制成。

“有机材料和无机材料都各有其局限性——有机材料通常性能较差，而无机材料虽然具有更好的导热性和导电性，但通常很脆，不够柔韧。

“本研究中使用的半导体是一种罕见的无机材料，在柔性热电性能方面具有惊人的潜力。然而，到目前为止，在保持其非凡塑性的同时提高其性能的潜在物理和化学机制在很大程度上仍未得到探索。”

参考文献：《通过战略性空位工程实现创纪录高延展性AgCu（Te，Se，S）热电材料》，作者：李南海、石晓磊、刘思琦、李萌、曹天意、张敏、吕婉瑜、刘伟迪、齐东辰、陈志刚，发表于2025年3月21日，载于《自然-通讯》。DOI：10.1038/s41467-025-58104-x

该研究由澳大利亚研究理事会资助。