科学家提出脉冲辐照合成策略，一秒就能完成反应

据了解，采取传统的薄膜沉积技术，在制备晶体薄膜时通常需要较高的温度，这对于柔性基底和其他器件组件可能存在热不稳定性，制约了其在大规模、低成本光电子应用中的应用。

因此，香港城市大学团队提出使用低温脉冲辐照合成方法，通过自燃燃烧过程降低合成温度，实现了在柔性基底上制备金属硫化物薄膜的目标。

（来源：Nature Communications）

在最初的文献调研中，他们发现各类金属硫化物的薄膜和合成往往涉及高温的结晶过程，并且也注意到现有技术中高温处理对于柔性基底存在不适应的问题。

在确定问题之后，课题组设计了若干可能的实验方案，最后发展了脉冲辐照的合成策略，并通过不断的实验和优化来确保这一方法在低温条件下能够高效合成金属硫化物薄膜。

这其中涉及到控制能量脉冲、调整辐照和温度曲线、以及优化反应物层结构等方面。

在优化合成参数之后，他们进行了一系列实验以验证其有效性，在多种聚合物基底上进行了成功合成了光热电器件，并测试了光电响应性能。

以此同时，课题组使用了各类分析技术，比如掠入射广角 X 射线散射、透射电子显微镜等，确定了薄膜在脉冲辐照合成中的结晶性和晶粒取向。

同时，他们通过模拟仿真等方法，来评估薄膜在 PTE（photothermoelectric）性能方面的表现。

在解释金属硫化物薄膜的光电响应时，该团队认为薄膜对近红外光的响应是由于材料本身较窄的带隙。

在反复的测试之中，他们偶然间发现激光在器件中照射的位置以及柔性衬底的种类，对于光电响应有着明显的影响。

在此发现的基础之上，他们做了进一步的研究，并查阅了相关文献，最终提出了热电薄膜的光热电机理、以及薄膜和基底之间的热耦合效应。

总的来说，本次方法成功避免了传统技术中需要的高温处理步骤，克服了对热不稳定基底和器件组件的限制。

通过在脉冲辐照合成中实现超短的合成时间，课题组使合成温度降至 150℃，且反应能在一秒内完成，这是此前无法实现的低温高效合成。这一创新为在柔性基底上制备高质量金属硫化物薄膜提供了新的途径。

另外，由于合成过程的温度很低，这使得该合成方法能够使大部分有机柔性衬底保留其原本的机械性质，所以可以在各种柔性衬底上合成各类金属硫化物薄膜。

同时，课题组深入探讨了聚合物基底和金属硫化物薄膜之间的热耦合效应，通过基底相关的热管理提高了光热电性能。

通过研究他们认识到不同基底的热扩散率，与它们在器件的局部激光照射下的温度分布之间的关联影响了输出光电压。

这一发现为设计光热电器件提供了新的策略，通过选择适当的柔性基底，可以更好地操控器件性能。

此外，该团队在解决金属硫化物的低温合成问题的同时，也发现了极低材料热学性能和器件光热电响应之间的内在联系。

在发现新知识的同时，通过提出、并验证新的合成方法和材料热管理策略，成功解决了在柔性基底上制备金属硫化物薄膜时的温度和性能互为矛盾的问题。

日前，相关论文以《柔性基板上金属硫族化合物的脉冲辐照合成增强光电性能》（Pulse irradiation synthesis of metal chalcogenides on flexible substrates for enhanced photothermoelectric performance）为题发在 Nature Communications[1]。

图 | 相关论文（来源：Nature Communications）

香港城市大学 Zhang Yuxuan 是第一作者，香港城市大学孟优博士是共同一作兼共同通讯，香港城市大学黄骏弦副教授和何颂贤教授担任共同通讯作者。

图 | 左起为：黄骏弦副教授、何颂贤教授、孟优博士（来源：孟优）

审稿人评价称：“作者们展示了一种脉冲辐射方法用于合成热电薄膜，而较低的生长温度要求非常适合柔性光电子设备，能够直接在聚合物基底上合成而不会发生变性。”

此外，审稿人指出这些聚合物基底的低热扩散率有助于提高 PTE 性能。他们认为这项工作既有趣又全面，应该可以引起二维材料合成、光电探测器和热电材料领域的科研人员的关注。

而凭借光热电效应的独特性质，在柔性基底上所制备的探测器，在近红外甚至远红外都会有光电响应，且不受材料自身带隙的限制。

预计这一成果在将来有着广泛的潜在应用前景，特别是在光热电领域。具体应用主要有：

其一，用于柔性光热电探测器。

由于本次研究提供了在低温下制备金属硫化物薄膜的新途径，柔性光热电探测器将能够在合适的柔性基底上实现更高的性能。这可应用于热成像感知，例如在安防监控、火灾检测、军事侦查等领域。

其二，用于通信技术。

光热电效应提供了将光信号转换为电信号的能力，因此在光学通信领域有广泛的应用潜力。这可能推动柔性光热电器件在高速通信、光信号处理等方面的发展。

其三，用于自动驾驶技术。

通过在车辆上部署柔性光热电器件，实现对环境的更精准、灵敏的感知。这对于提高自动驾驶汽车的安全性和可靠性至关重要。

其四，用于医疗诊断。

光热电器件的宽谱响应和高响应度使其在医疗成像领域有潜在应用。有望用于红外光学成像、体温检测等医疗设备中，为医疗诊断提供更多选择。

其五，用于能源收集与热电设备。

具有热电性质的金属硫化物薄膜，在热电领域有着一定应用潜力。柔性光热电器件的开发，可能会带来更高效的能源收集技术，从而用于嵌入式电子设备、可穿戴技术等。

鉴于现有研究的成果，课题组会进一步优化脉冲辐射合成方法，调整合成参数，以提高金属硫化物薄膜的性能。这可能包括进一步降低合成温度、缩短反应时间，以及优化薄膜的结晶性和光电性能。

其次是材料拓展与多样性研究，具体来说该团队可能会探索更多种类的金属硫化物，以拓展这一方法的适用范围。

不仅限于 Bi2Se3、Bi2Te3 和 SnSe2，课题组可能也会研究其他具有潜在应用价值的热电材料，从而推动柔性光热电器件在不同领域的应用。

此外，他们将会开展器件集成与应用场景验证的工作，将合成的金属硫化物薄膜应用于实际的柔性光热电器件中，例如在柔性传感器、柔性能源装置等方面进行集成验证。

如能证明这一方法在规模化生产和工业应用中具有可行性，该团队可能会考虑将其推向产业化，这可能包括技术转让、专利申请以及与产业界的合作。

参考资料：

1.Zhang, Y., Meng, Y., Wang, L.et al. Pulse irradiation synthesis of metal chalcogenides on flexible substrates for enhanced photothermoelectric performance. Nat Commun 15, 728 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-44970-4

支持：Ren

排版：何晨龙、希幔