通过Bi/Se共掺杂与MnO₂整合提升性能，以InTe实现可挠热电应用的揭示

将体温变为可用的电能

每天都有大量能量以废热形式散失——来自工厂机械、汽车发动机，甚至我们自身的身体。本文探讨了一种新方法，旨在回收其中一小部分热量并将其转化为电能，方法是使用像报纸油墨般可印刷的薄而柔性的条带。研究人员聚焦于一种鲜为人知的材料：碲化铟（InTe），并展示了如何对其进行工程化处理和印刷，以便为未来的可穿戴设备和无需电池的小型无线传感器供电。

用于柔性电源条的新材料

大多数高性能热电材料仅在作为坚硬、易脆的块体时表现良好，这类材料制造成本高且难以弯曲，因此并不适合智能服装、皮肤贴附的健康贴片或柔性物联网设备。InTe 则不同：它本征上对热流有很强的阻隔，这对热电性能有利，但单独使用时其电导率较差。团队的核心想法是把 InTe 转变成可印刷的“墨水”，并通过精细调节其成分，将其沉积到薄塑料薄膜上，从而制造出能舒适贴合曲面（如皮肤）的柔性热电发电器。

从粉末到可印发电器

研究人员以高纯度的铟、碲、铋和硒粉末为起点。首先将这些粉末在密封管中高温反应，形成 InTe 及其掺杂变体的固体块。随后将这些块研磨成细颗粒，并与溶剂和聚合物粘结剂混合制成黏稠的墨水。采用标准丝网印刷工艺——类似于 T 恤图案印刷的方式——将墨水通过有图案的网孔压印到透明塑料片上。重复印刷 12 遍后，堆积出均匀的薄膜，形成热电发电器的活动“腿”，并用印刷银电极连接。最终器件是薄而轻的条带，每条包含八个微小的电腿串联排列，以利用温差累积出可用电压。

由内而外的材料微调

为了从 InTe 中获得更多电能，团队通过用铋（Bi）和硒（Se）对其进行“共掺杂”来微调其内部配方。用更大的铋原子替代部分铟原子，并将少部分碲替换为硒，改变了载流子在材料中的移动方式。X 射线测量显示此处理使晶粒变大并减少结构缺陷，而电子显微镜则表明印刷薄膜更加致密且连续。电学测试证实了效果：最佳组成标记为 In₀.₉₄Bi₀.₀₆Te₀.₉₇Se₀.₀₃ 的样品表现出载流子迁移率提高且每单位温差产生的电压（即塞贝克系数）显著上升。在 100 度温差下，该优化薄膜产生约 195 毫伏电压和约 29.45 纳瓦功率——几乎是未掺杂 InTe 的 30 倍。

通过智能结点提升性能

即便改进了 InTe，团队仍看到另一种提升空间：加入第二种材料以形成微小的内部结点，更有效地引导电流。他们掺入了二氧化锰（MnO₂），其表现为 n 型导体，与 p 型的 InTe 极性相反。在两者接触处会形成 p–n 结，类似内建的斜坡，有助于分离并引导载流子。该复合器件的电压虽然低于最佳共掺杂样品，但内部电阻显著更小，意味着电流更易流通。因此，混合的 In₀.₉₄Bi₀.₀₆Te₀.₉₇Se₀.₀₃/MnO₂ 器件在相同 100 度温差下输出约 48.41 纳瓦——约比未混合样品高 1.6 倍，得益于薄膜内更好的导电通路。

可弯曲、可挠曲并能持续工作

对于实际可穿戴设备，柔软性和耐久性可能与电性能同样重要。因此对印刷器件进行了反复弯折试验以观察其是否会开裂或失效。在最大 120 度弯曲并循环 500 次后，其电阻仅变化约 2%，表明薄膜依然牢固附着于塑料基底且内部结构保持完整。尽管绝对功率仍处于纳瓦量级，尚不足以驱动耗电量大的设备，但与文献中其他早期柔性热电器件相比已具有竞争力。

对日常技术的意义

简而言之，这项工作表明一种相对陌生的材料 InTe 可以被制成低成本的可印墨水，用于柔性废热采集条带。通过用铋和硒精确调整其原子组成，并加入 MnO₂ 以形成智能内部结点，研究人员显著提升了这些条带将温差转化为电能的效率——同时保持了可弯曲性。随着墨水和器件设计的进一步优化，类似的印刷热电薄膜未来有望被织入服装、缠绕在管道上，或贴附在机械设备与人体上，从浪费的热能中拾取小而持续的电力来源。

引用: Shankar, M., Prabhu, A. & Nayak, R. Unveiling InTe for flexible thermoelectric applications with enhanced performance via Bi/Se co-doping and MnO₂ integration. Sci Rep 16, 5597 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35782-1

关键词: 柔性热电材料, 废热回收, 可印刷电子学, 可穿戴能源, 碲化铟