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研究背景

热电材料是一类能够将温度梯度直接转化为电能的功能材料，因其在可穿戴电子、柔性生物电子器件以及个人温控设备等领域具有自供电的应用潜力而备受关注。与传统的刚性无机热电材料相比，热电弹性体不仅能够提供较高的热电转换效率，还具备柔性覆盖、形状适应性和可拉伸性等优点。

然而，目前高性能热电材料普遍只能实现柔性，而难以兼顾橡胶状弹性和机械恢复能力，这限制了其在可穿戴设备中对复杂三维曲面和反复应变条件下的实用性，从而带来了柔性热电器件可适应性和长期稳定性的挑战。

针对这一挑战，北京大学雷霆教授团队在“Nature”期刊上发表了题为“n-Type thermoelectric elastomers”的最新论文。该团队设计并制备了一种n型热电弹性体，通过将均匀体相纳米相分离、热活化交联以及定向掺杂整合于单一材料中，实现了材料在高应变条件下仍具备优异橡胶状回复能力和应变不敏感的热电性能。

利用精心选择的弹性体和掺杂剂，研究人员成功构建了均匀分布、被弹性体包覆且高度n型掺杂的半导体聚合物纳米纤维结构，这显著提高了电导率并降低了热导率，使材料在室温下的热电优值（ZT）达到0.49。基于此材料制备的弹性热电发电器能够在保持高填充因子的同时实现优异的皮肤贴合性和低热阻热损失，显示出在可穿戴自供电电子器件中的巨大应用潜力。

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研究亮点

1.本文首次通过将均匀体相纳米相分离、热活化交联和定向掺杂整合于单一材料中，成功制备了n型热电弹性体（TEE），得到了兼具高弹性和优异热电性能的新型材料。该材料在机械变形下表现出橡胶状应变恢复能力可达150%，同时在300 K下热电优值（ZT）达到0.49，实现了应变不敏感的热电性能。

2.实验通过精心选择的弹性体和n型掺杂剂，促进了半导体聚合物纳米纤维的均匀分布和高掺杂，形成了弹性体包覆的纳米结构。结果表明，这种结构不仅提升了电导率，还降低了热导率，从而优化了热电性能。同时，该设计使得热电发电器在可穿戴应用中表现出优异的皮肤贴合性、高填充因子以及降低的热阻和热损失。

3.本文还通过对比传统柔性TEG和本研究TEE发电器的性能，显示TEE能够在保持高热电性能的同时，承受5−50%的重复机械应变，满足可穿戴电子和柔性生物电子设备在实际使用中的形变需求。

4.TEE的橡胶状应变恢复能力和应变不敏感性提供了一种新的策略，为开发高效、弹性和皮肤贴合的热电发电器提供了理论依据和实验参考，开拓了柔性热电材料在自供电可穿戴设备中的应用前景。

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图文解读

图1 研究者针对TEEs的设计策略示意图

图2 热电聚合物/弹性体复合材料的形态和机械性能表征

图3 掺杂选择和热电性能表征

图4 制造和测量内在弹性的TEGs

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结论展望

本研究提出了一种开发热电弹性体（TEE）的通用方法，该方法基于三个协同设计原则：（1）均匀的体相纳米相分离；（2）热活化交联；（3）战略性掺杂剂选择。该方法实现了机械性能与热电性能的同步优化。由此制备的TEE为弹性热电发电器（TEG）建立了材料平台，使其兼具皮肤贴合性和潜在的更高热能收集效率，弥合了人体兼容力学性能与下一代自供电可穿戴电子高效能量收集之间的差距。

原文链接：

Liu, K., Wang, J., Pan, X. et al. n-Type thermoelectric elastomers. Nature (2025). 

https://doi.org/10.1038/s41586-025-09387-z