日本東海大學工學部應用化學科的高尻雅之教授的研究團隊，開發出了一種單壁碳奈米管（單壁CNT）熱電元件，僅更換基板就能將同一薄膜元件變為「電源」或「熱通量傳感器」。相關成果已發表在《Advanced Science》上。
圖1 在透紅外線基板（左）和吸收紅外線基板（右）上黏附相同薄膜時的表面溫度。左圖中心保持高溫，右圖中心變為低溫。這一差異決定了電壓的方向。數值取自發表論文。
既往熱電元件為了將熱能轉化為電能，必須保持一側高溫、另一側低溫，而維持低溫則需要在低溫側設置冷卻板或風扇，因此安裝位置和用途受到限制。此外，以往基板僅被視作承載薄膜的基座，其對決定元件功能方面的作用一直未被充分闡明。
此次研究團隊製備了只需整體均勻加熱即可工作的單壁CNT薄膜元件，並將薄膜黏附在三種不同的基板上進行了比較。結果發現，即使薄膜、電路和黏附方式相同，僅通過更換基板即可改變元件的工作特性。在透過紅外線的基板（COP）上，電壓以恆定值持續輸出，元件可作為電源工作；而在吸收紅外線的基板（PEN）上，僅在溫度變化期間產生反向電壓，元件可作為捕捉熱通量變化的熱通量傳感器工作。此外，研究發現基板的「對紅外線的吸收程度」和「不易升溫的程度」這兩種性質共同決定了元件的工作特性。在任一基板下，元件內部都會自然產生1～3℃的溫差，因此無需像既往元件那樣配備單側冷卻裝置。
此次開發的元件具有在同一薄膜內連接兩種導電性質不同區域的結構。元件中心溫度是否高於周邊，會改變電流流向，因此產生的電壓方向也隨之變化。這一差異產生了電源和熱通量傳感器兩種不同的功能。
其中，基板是實現上述特性的關鍵。單壁CNT薄膜幾乎可以吸收全部紅外線，而基板對紅外線的吸收比因材質和厚度而異。COP可透過45.8%的紅外線。紅外線穿過基板直接加熱薄膜，因此元件中心部溫度升高，從而發揮電源功能。另一方面，易於吸收紅外線的PEN基板（透過率0.2%）因基板先升溫，元件中心部相對變為低溫。不過，這一狀態在元件整體溫度趨於一致時便會消失，因此電壓僅在溫度變化期間出現。
此外，電壓的持續時長由基板的「不易升溫程度」決定。PEN比PI更厚且比熱更大，因此達到溫度均勻需要更長時間，相應地產生更大的電壓。也就是說，該元件的工作特性由兩種因素決定：基板對紅外線的吸收程度（決定電壓方向）和基板不易升溫的程度（決定電壓大小和持續時長）。
現階段元件輸出的電壓還僅為0.38毫伏，輸出功率僅為0.47納瓦。要驅動無線通信元件等，需要將約100對元件串聯並搭配升壓電路。本次研究雖已證明無需冷卻裝置、僅通過更換基板即可在發電功能與熱通量感測功能之間切換，但實際應用還需進一步提升性能。研究團隊表示，今後除提高輸出性能外，還將通過封裝技術確保長期可靠性，並在模擬實際使用環境的加熱-冷卻循環條件下進行性能評估。
高尻教授表示：「剛觀測到電壓方向反轉的時候，起初我懷疑是測量誤差。但薄膜和電路都沒有改動，原因只能是基板。此前，我們一直將基板視為支撐薄膜的底座，但實際上它在決定元件功能方面發揮著重要作用。既往熱電元件受限於必須配置冷卻端，安裝場所受到制約。如果不需要冷卻裝置，就意味著安裝地點不受限制。只需貼在工廠管道或電池組表面，就能檢測出熱異常。我們希望沿著這個方向繼續推進元件開發。」
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Advanced Science
論文：Substrate Engineering of SWCNT p-n Junctions for Dual-Mode Power Generation and Heat-Flux Sensing
DOI：10.1002/advs.76889
