[论文解读] Facile and time-resolved chemical growth of nanoporous CaxCoO2 thin films for flexible and thermoelectric applications

Tridib Kumar Sinha, Jinho Lee+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2019

Advanced Thermoelectric Materials and Devices参考文献 61被引用 6

一句话总结

本研究提出了一种简便、无配体、时间可控的化学溶液沉积方法，利用含有原位生成的Ca²⁺-DMF和Co²⁺-DMF配合物的水基前驱体油墨，在蓝宝石和云母基底上生长纳米多孔Ca₀.₃₅CoO₂薄膜。薄膜在室温附近表现出高功率因子（0.50 × 10⁻⁴ Wm⁻¹K⁻²）和优异的机械柔韧性，可承受最小15 mm的弯曲半径，为柔性热电设备的规模化、低成本制造提供了可能。

ABSTRACT

CaxCoO2 thin films can be promising for widespread flexible thermoelectric applications in a wide temperature range from room-temperature self-powered wearable applications (by harvesting power from body heat) to energy harvesting from hot surfaces (e.g., hot pipes) if a cost-effective and facile growth technique is developed. Here, we demonstrate a time resolved, facile and ligand-free soft chemical method for the growth of nanoporous Ca0.35CoO2 thin films on sapphire and mica substrates from a water-based precursor ink, composed of in-situ prepared Ca2+-DMF and Co2+-DMF complexes. Mica serves as flexible substrate as well as sacrificial layer for film transfer. The grown films are oriented and can sustain bending stress until a bending radius of 15 mm. Despite the presence of nanopores, the power factor of Ca0.35CoO2 film is found to be as high as 0.50 x 10-4 Wm-1K-2 near room temperature. The present technique, being simple and fast to be potentially suitable for cost-effective industrial upscaling.

研究动机与目标

• 开发一种低成本、可扩展的方法，用于制备用于热电应用的柔性Ca₀.₃₅CoO₂薄膜。
• 实现在云母等柔性基底上无需复杂配体辅助过程的薄膜生长。
• 在保持机械柔性的前提下，实现纳米多孔Ca₀.₃₅CoO₂薄膜中高电功率因子。
• 展示时间可控、快速且简便的合成过程，使用水基油墨，具备工业放大的潜力。

提出的方法

• 利用水性前驱体油墨中原位生成的Ca²⁺-DMF和Co²⁺-DMF配合物进行薄膜沉积。
• 在蓝宝石和云母基底上通过受控的时间可控热处理进行化学溶液沉积。
• 采用无配体合成，避免后续去除配体的步骤，降低工艺复杂性。
• 利用云母作为柔性基底及牺牲层，实现薄膜向其他基底的转移。
• 通过受控热退火处理，获得具有所需结晶度的取向纳米多孔Ca₀.₃₅CoO₂薄膜。
• 通过XRD、SEM及电学测量对结构、形貌和热电性能进行表征。

实验结果

研究问题

• RQ1 无配体、水基化学溶液方法能否制备出高质量、柔性的Ca₀.₃₅CoO₂薄膜？
• RQ2 通过此简便方法制备的纳米多孔Ca₀.₃₅CoO₂薄膜可实现的最大功率因子是多少？
• RQ3 薄膜在不发生性能退化的情况下可承受多大的机械弯曲？
• RQ4 时间可控的沉积过程如何影响薄膜的取向和结晶度？
• RQ5 云母能否有效同时作为柔性基底和薄膜转移的牺牲层？

主要发现

• Ca₀.₃₅CoO₂薄膜在室温附近表现出0.50 × 10⁻⁴ Wm⁻¹K⁻²的功率因子，表明其具有强大的热电潜力。
• 薄膜在弯曲半径为15 mm时仍保持结构完整性和电学性能，表现出优异的机械柔韧性。
• 薄膜生长过程中纳米多孔结构得以保持，增强了比表面积，同时未损害电荷输运性能。
• 该合成方法具有时间可控性和简便性，可实现快速薄膜成膜，无需复杂配体或高真空工艺。
• 利用云母作为牺牲层可成功实现薄膜向其他基底的转移，显著提升应用多样性。
• 该方法具有可扩展性和低成本优势，为柔性热电设备制造的工业放大提供了强劲潜力。