本室博士研究生徐浩伟（第一作者）和王国祥研究员（通讯作者）等在期刊Chemical Engineering Journal（IF 13.2）发表了题为“vdW-driven exfoliation of Bi2Te2.7Se0.3 thick films for high-sensitivity and durable thermoelectric sensing”的研究论文。
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.173994     

       Bi2Te3基材料是室温区标杆热电材料，但其固有的脆性严重阻碍了与柔性电路的集成。传统制备柔性 Bi2Te3基薄膜的溅射、电沉积等方法，所得多晶结构存在晶粒取向随机、缺陷密度高、载流子迁移率低等问题，导致塞贝克系数和功率因子远低于体单晶，灵敏度和长期稳定性差；而将高质量 Bi2Te3晶体剥离为超薄薄片的尝试，虽能保留近体相传输性能，却受限于脆性、横向尺寸小、难以规模化，且多聚焦于发电而非热传感，高性能、高鲁棒性热电厚膜的研发存在空白。

       本研究提出了一种“从晶体到器件”的创新策略。首先，通过改进的温度梯度法，生长了高质量的n型Bi2Te2.7Se0.3晶体，并采用BiCl₃和Ga进行共掺杂优化。BiCl₃作为施主调节载流子浓度，抑制高温下的双极效应；而Ga则通过调节能带各向异性来提升材料的塞贝克系数。随后，巧妙地利用了材料层间的范德华力间隙，像剥离石墨烯一样，将大块晶体机械剥离成大面积、表面光滑且具有强(00l)取向的厚膜（约30微米厚），在获得柔韧性的同时，完美保留了块体单晶优异的电学输运特性。

       基于此方法制备的优化材料在300 K时展现出高达~212.3 μV K⁻¹的塞贝克系数和~54.7 μW cm⁻¹ K⁻²的功率因子。将其集成到柔性基底上制成的单臂传感器模块，实现了超高灵敏度（-187.2 μV K⁻¹）、亚秒级快速响应以及优异的机械耐久性（经1000次弯曲循环后性能保持90%以上）。该传感器被成功演示应用于多种场景，包括实时呼吸监测、电子皮肤触觉感知、红外激光探测以及基于蒸发冷却效应的酒精浓度分析，展现了其作为多功能感知平台的潜力。

       该研究通过将精确的缺陷化学调控、晶体生长导向与范德华力剥离技术相结合，建立了一个通用的材料到器件框架。它成功地将脆性的层状热电晶体转化为兼具块体级性能和机械柔顺性的高效传感平台，为下一代高性能、柔性、自供电的热感知与多功能传感技术提供了新的材料基础与集成路径。

图1. 晶体到器件的策略示意图，包括通过改进的温度梯度法生长高度取向的Bi2Te2.7Se0.3晶体、采用类石墨烯机械剥离法将单晶剥离成(00l)织构厚膜，以及后续将剥离薄膜集成到柔性热电传感模块中的全过程。

图2. (A)沿解理面晶体的X射线衍射(XRD)图谱及(B)摇摆曲线半高宽。(C)扫描电子显微镜(SEM)图像及(D)对应能谱元素分布图。(E)优化组分的热电势系数(S)随温度变化曲线。(F)载流子浓度依赖性热电势系数与已报道Bi2(Te,Se)3基材料对比。(G)优化组分的功率因子(PF)随温度变化曲线。(H)在5mm弯曲半径下归一化热电势系数(S/S0)与电导率(σ/σ0)随弯曲循环次数的变化关系。(I)剥离晶体厚膜与已报道Bi2Te3基柔性薄膜在300K时功率因子数值对比。

图3. (A) 通过类石墨烯机械剥离法获得的不同厚度薄膜的塞贝克系数重复测量结果。(B) 当前厚膜样品与采用不同加工工艺制备的代表性柔性热电薄膜塞贝克系数对比。(C) 温度梯度(ΔT=10–50K)下的动态电压响应，冷端恒温300K。(D) 输出电压与施加温差之间的线性相关性，斜率推导出的灵敏度。(E) 对20K温度阶跃的瞬态电压响应，显示1.2秒的快速上升时间和6.2秒内的恢复。(F) 灵敏度与响应时间同已报道柔性热电传感器的基准对比。

图4. (A)集成于口罩中的传感器模块示意图，其中一侧靠近嘴部作为热端。(B)不同呼吸状态(包括站立、蹲坐和静坐)下的响应电压曲线。(C)不同温度接触传感模块获得的电压响应曲线。(D)模块的空间传感能力，显示与热源不同距离处的电压响应。(E)1550nm激光在不同功率照射下的电压响应(红色虚线表示拟合结果)，呈现线性关系。(F)不同激光功率下的对应电压响应曲线。(G)电压响应随酒精浓度变化的函数关系(红色虚线表示拟合结果)。(H)不同酒精浓度下的对应电压响应曲线。