热电解耦研究再获突破！无液氦综合物性测量系统助力成果登上Adv. Mater.

热电转换效率是衡量热电材料性能的核心指标。当前，柔性热电薄膜凭借可贴合不规则热源、减少热能损耗的特性，成为提升热电效率的关键方向。其中，有机/无机杂化柔性热电薄膜兼具组分可调性与低成本制备优势（如丝网印刷法），但常规的产品热电转换效率远低于工业和商业应用标准（热电转换效率＞1），成为制约领域发展的核心瓶颈。

为了进一步提升热电转换效率，学界通过材料结构设计或成分调控实现参数独立优化，即“解耦”，常见路径包括电、热输运通道分离、优化载流子结构、电子热导率与晶格热导率解耦等。武汉理工大学赵文俞团队提出的新型解耦策略，为该领域提供了创新性解决方案。

新型解耦理论：纳米磁性驱动热电效率突破

赵文俞团队在Bi₀.₅Sb₁.₅Te₃/环氧树脂柔性薄膜中，嵌入Fe和Fe₃O₄纳米粒子（磁功能元件，MFEs），利用载流子自旋与纳米磁性的交换作用，将载流子分裂为自旋向上与自旋向下的导电支路。两条支路具有不同的电阻率和迁移率，实现了热电性能的精准调控。

该薄膜中，无机组分Bi₀.₅Sb₁.₅Te₃（BST）是室温下优质的热电材料，有机组分绝缘环氧树脂满足低成本、易加工需求。最终，该复合薄膜的室温热电转换效率达到 1.2-1.4，成功突破商用阈值。相关成果以《Nanomagnetism Triggering Carriers Double-Resistance Conduction and Excellent Flexible Thermoelectrics》为题，发表在Advanced Materials上^[1]。

该理论的验证，依赖于精准的热电参数测量数据。美国 Quantum Design 公司的3T 无液氦综合物性测量系统 VersaLab，搭载热输运测量选件（TTO），完成了 300-500K 温度区间内的热导率等关键参数表征，为理论成立提供了核心数据支撑。

图1 在300–500 K温度下厚度为60 μm的Fe00和Fe0x材料及其PI基板平面热电特性。a) 电导率σ、b) 塞贝克系数α、c) 热导率κ d)      功因zT的温度依赖性。(b,c)图中的插图分别显示功率因子α²σ与双极热导率κ Bip。

VersaLab 系统：小体积承载全维度物性测量能力

VersaLab 作为 Quantum Design PPMS 系列的经济型产品，虽体积小巧，却整合了磁、电、热多维度测量功能，尤其适配热电材料等前沿领域的研究需求。设备采用了3T超导磁体和制冷机来提供高均匀的磁场环境和便利的变温（50-400K）测量环境，搭配的各类电学、热学、磁学测量选件，可完成各类物性测量。

VersaLab无液氦综合物性测量系统（左）、热输运测量模块（右）

主机特点：

• 3T超导磁体，提供均匀磁场

• 50-400K高精度变温测量，无需使用液氦

• 集合磁、电、热多功能物性测量

• 专用测量软件，使用便利。

• 单相220V供电，能耗低。

• 体积小巧，方便移动，适用各类实验室

VersaLab主机系统及其创始人

一、 热学测量选件

热输运选件可以同时测量样品的热传导系数、塞贝克系数和交流电阻率，并根据这三个测量结果计算出热电材料的品质因子。样品采用专用的样品托，适用于各类热电材料测量，样品的安装操作十分方便。

安装标准样品的热输运样品托	热输运测量选件

比热测量选件

比热是物理学研究的一项重要热学参数，由于比热测试影响因素较多，通常的测试设备很难获得高质量的比热测量数据。VersaLab系统采用热弛豫法，软件中有加入了双T模型技术对弛豫曲线进行拟合，即可获得高质量比热数据。样品安装方面，系统巧妙的设计了一个专用安装样品台，利用“吸尘器”式负压设计，让样品简单安装的同时，还保护了样品托接线不受损坏，大大减少了实验人员操作难度。

比热样品托和专用样品安装台

二、磁学测量选件

振动样品磁强计选件磁学测量为VersaLab主机包含的功能，可以全自动进行各种高精度磁学测量如磁滞回线、热磁曲线、高温磁学、初始磁化曲线、剩磁以及磁化数据的时间函数等，其磁矩灵敏度可以达到10^-6emu，满足大部分磁性材料测试需求。此外，系统可选用高温样品杆，实现最高1000K的磁性测量。

振动样品磁强计选件	高温振动样品磁强计选件

交流磁化率选件

系统同样支持交流磁化率选件功能，该选件采用特殊的探测线圈和VSM振动马达，一次测量就能获得样品的交流磁化率（实虚部分开）和直流磁化强度信号。交流磁化率选件采用锁相放大技术，以及五点测量模式，有效的消除温度漂移，测量更准确，交流模式下可以实现10^-8 emu的测量灵敏度。

交流磁化率选件

扭矩磁强计选件

扭矩磁强计选件是Quantum Design与IBM公司联合研发，专门用于需要表征磁各向异性的小样品（单晶、薄膜）而设计。该选件巧妙的使用了扭矩力、压电传感电阻，并用惠斯通电桥准确测量扭矩，从而获得磁化强度，具有10^-7emu的零名都，其测试数据精度可以与SQUID相媲美。

扭矩磁强计选件

三、电学测量

VersaLab综合物性测量系统支持直流电学和交流电学测试，允许用户在3T、50-400K的环境下全自动的进行诸如直流电阻、交流电阻、微分电阻、磁电阻、伏安特性和霍尔效应的一系列电学测量。每次最多可以测两个样品，结合全自动样品转杆，还可以进行各向异性的电学测量。

电学测量选件、样品托及样品安装台

四、用户自定义测量

基于VersaLab提供的3T磁场和50-400K的低温强磁场环境，用户可以自行搭建测试功能用于不同需求的测量。QuantumDesign可提供多功能样品杆和各类测试仪表，辅助客户选择测试功能。

多功能样品杆	VersaLab与Lake Shore M91测试仪表联用方案
铁磁共振(FMR)测量（与瑞典NanOsc FMR测试仪联用）

参考文献

[1]. S. Ke, X. Nie, P. Wei, L. Li, C. Liu, W. Xu, T. Chen, D. Liang, X. Ye,W.-T. Zhu, D. He, W.-Y. Zhao, Q. Zhang. Nanomagnetism Triggering Carriers Double-Resistance Conduction and Excellent Flexible Thermoelectrics Adv. Mater. 2025, 37, 2414511