光熱電（PTE）探測器基于塞貝克效應工作，通過光熱轉換產生溫差，直接將光輻射轉化為電信號，從原理上不受半導體帶隙約束，天然具備紫外、可見光、紅外乃至太赫茲的全波段響應能力，且無需外加偏壓、無需制冷，器件結構簡單，與溶液加工、印刷制備等低成本大面積工藝高度兼容，是柔性光電探測領域的重要技術路線。受限于p型材料的性能不足，已報道的多數柔性光熱電（FPTE）探測器僅采用單腿結構，無法通過p-n對串聯實現電壓疊加，器件響應度始終難以突破性能天花板。因此，開發可印刷、高功率因子的p型柔性熱電材料，構建完整的p-n對全結構器件，是柔性光熱電探測技術走向實用化的核心挑戰。
據麥姆斯咨詢報道，近日，由上海大學、廣州大學和蘇州大學組成的研究團隊提出鍺摻雜碲的第二相調控策略，成功制備出兼具高塞貝克系數與高電導率的p型熱電薄膜，并與n型Ag?Se搭配，通過全絲網印刷工藝在柔性聚酰亞胺襯底上構建了全結構光熱電探測器陣列。器件在980 nm紅外輻射下實現2.49 V/W的響應度與2.38×10? Jones的探測率，內阻低至55.7 Ω，同時展現出優異的彎曲穩定性?；谠摷夹g制備的4×4像素陣列可實現紅外空間分布測繪與非接觸熱監測，為柔性電子皮膚、可穿戴健康監測、智能建筑預警等應用提供了低成本、大面積的核心器件方案。研究成果以“High-Performance Screen-Printed Full-Configuration Flexible Photothermoelectric Detector Arrays Enabled by Germanium-Incorporated Tellurium”為題發表在Advanced Optical Materials期刊上。
柔性光熱電探測器的材料及制備
熱電材料普遍存在“電導率-塞貝克系數”此消彼長的蹺蹺板效應：提升載流子濃度雖能提高電導率，但通常會導致塞貝克系數顯著下降。本研究巧妙利用鍺在碲中固溶度極低的特性，通過球磨與熱處理使鍺以GeTe第二相的形式原位彌散在碲基體中，借助界面效應實現載流子濃度與能量分布的協同調控。
圖1 柔性光熱電探測器原理圖、工作條件以及響應度
為將體相材料的性能優勢轉化為柔性器件的實用性能，研究團隊開發了適配絲網印刷工藝的油墨配方與后處理流程，在柔性聚酰亞胺襯底上成功制備出高性能p型Te?.??Ge?.??與n型Ag?Se熱電薄膜。兩種熱電薄膜的表征結果如圖2和圖3所示。
圖2 經不同處理后的Te?.??Ge?.??熱電薄膜與Ag?Se熱電薄膜表征對比
圖3 經不同處理后的Te?.??Ge?.??熱電薄膜與Ag?Se熱電薄膜的橫截面掃描電鏡圖
單像素光熱電探測器
基于優化后的p、n型熱電薄膜，研究團隊構建了全結構單像素光熱電探測器。器件采用垂直串聯架構，p型與n型熱電腿并排排布，頂部通過銀漿連接，連接處覆蓋黑色樹脂漆作為光熱轉換層。入射光被光熱層吸收后轉化為熱量，在器件中心與兩端之間建立溫度梯度，p、n型熱電腿同時產生塞貝克電壓并同向疊加，輸出電壓為單腿結構的兩倍以上，從架構層面提升了器件響應度。圖4展示了該單像素光熱電探測器的光電性能。
圖4 單像素光熱電探測器的光電性能
柔性光熱電探測器陣列及空間熱分布測繪
基于該單像素器件的優異性能，研究團隊進一步通過全絲網印刷工藝制備了4×4像素的柔性光熱電探測器陣列，驗證了其在紅外空間分布測繪與非接觸熱監測領域的應用潛力，相關結果如圖5所示。
圖5 柔性光熱電探測器陣列及空間熱分布測繪
https://doi.org/10.1002/adom.71480
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