1 工作简介

         ——用于可穿戴供能器件的“热电橡胶”半导体

随着可穿戴电子与生物电子技术的飞速发展，提供高效、灵活的能源解决方案已成为制约行业发展的关键瓶颈。传统无机半导体热电材料虽具有优异的温差发电性能，但其本征脆性和零拉伸性导致两大根本局限：（1）无法适应人体曲面动态变形；（2）在反复形变中易发生性能衰减。而现有有机半导体材料虽具备一定柔性，但性能低，常常在拉伸后无法回弹，且模量仍然偏高，难以与皮肤完美贴合。因此，开发兼具高效能量转换、持续供能能力和完美适形性的柔性可穿戴供能系统，成为该领域的世界性难题。

针对上述问题，北京大学雷霆教授团队与合作者首次提出“热电橡胶”半导体（又称热电弹性体）的概念与设计策略，成功解决了热电半导体领域长期存在的“力-电-热性能难以兼顾”的瓶颈问题。相关研究成果以“n-Type thermoelectric elastomers”为题，于2025年8月13日发表在《Nature》上。

研究团队通过三大创新策略（图1a），实现了有机半导体性能的协同优化：（1）纳米相分离调控：利用汉森溶解度参数精心筛选，使刚性半导体高分子与柔性橡胶在微观层面均匀融合，形成遍布材料内部的纳米纤维网络，为电流铺设高效穿梭的通道；（2）热激活交联策略：创新性引入偶氮类交联剂，使材料获得超过850%的超高延展性，并在150%应变下保持90%以上的弹性回复率，足以媲美天然橡胶；（3）定向掺杂策略：通过巧妙筛选特殊掺杂剂作为“性能催化剂”，精准作用于半导体纳米纤维，大幅提升了掺杂效率。

该热电橡胶在300 K室温环境下，实现了热电优值（ZT）达0.49的突破性性能。这一数值接近甚至超越了现有柔性/塑性无机热电材料，同时保持了类肤的弹性与舒适性。研究团队还发现，通过共混结构，包裹在半导体纤维外的绝缘橡胶可以增强界面传播子散射，显著降低热导率，从而在高效发电的同时也阻隔了热量流失，实现了力、电、热性能的平衡。基于热电橡胶半导体，团队构筑了首个弹性热电发电机模块（图1b），能够紧密贴附于皮肤，实现人体热能持续收集和转化，有望用于驱动低功耗可穿戴电子设备与生物传感器。与无机热电器件不同，弹性热电发电机无需复杂的互连结构，能够直接与皮肤表面适配，同时保持较高的填充因子和较低的热阻。

该研究打破了“加入绝缘聚合物会稀释有机半导体中的活性成分，导致性能降低”的传统观念，为未来柔性电子材料设计提供了全新的思路和方法。雷霆教授团队提出的“热电橡胶”概念，不仅解决了具体的技术难题，更推动了半导体材料、电子技术与能源技术的交叉融合。

2 主要作者简介

通讯作者

雷霆，北京大学材料科学与工程学院博雅特聘教授、副院长、创新群体（B）负责人、杰出青年基金获得者。

于2008和2013年在北京大学化学与分子工程学院获学士和博士学位；2013-2018年在斯坦福大学化工系从事博士后研究。2018年3月加入北京大学。主要开展了有机高分子半导体材料的设计合成及其在柔性电子和生物电子中的应用研究。近五年，以通讯作者在Science、Nature及其子刊等发表论文40余篇。申请中国和国际专利14项，已获授权9项。获中国化学会青年化学奖（2023）、北京市杰出青年基金（2022）、中国化学会高分子青年学者奖（2021）和中国化学会“菁青化学新锐奖”（2020）等奖励和资助。

3 原文传递

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09387-z