20世紀70年代,摻雜聚乙炔的科學(xué)發(fā)現顛覆了“塑料不能導電”的傳統認知,掀起了光電分子材料的研究熱潮,孕育了有機發(fā)光二極管電子產(chǎn)業(yè),催生了有機光伏和有機場(chǎng)效應晶體管等前沿研究方向,并帶動(dòng)了有機熱電領(lǐng)域的起步。其中,聚合物體系的熱電研究不但可以深化甚至改變人們對軟物質(zhì)體系熱電轉換機制的認知,而且有望滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)與可穿戴電子對貼附式能源的迫切需求,具有重要的科學(xué)意義。然而,相對于已有的熱電材料體系,聚合物熱電材料長(cháng)期面臨熱電優(yōu)值(ZT)低的瓶頸,無(wú)法滿(mǎn)足溫差發(fā)電與固態(tài)制冷應用的核心指標需求,直接制約了領(lǐng)域的快速發(fā)展。
中國科學(xué)院化學(xué)研究所朱道本、狄重安研究團隊與張德清課題組,聯(lián)合北京航空航天大學(xué)趙立東課題組以及國內外的研究團隊,提出并構建了聚合物多周期異質(zhì)結(PMHJ)熱電材料。該類(lèi)型分子組裝體具有周期有序的納米結構,其中兩種聚合物厚度均小于10納米,相鄰界面約為2個(gè)分子層且具有體相異質(zhì)特征。優(yōu)化后的PMHJ薄膜可以保持優(yōu)異的電荷輸運特性,并大幅抑制聲子/類(lèi)聲子傳播,從而實(shí)現了聚合物熱電性能的大幅提升,為高性能塑料基熱電材料的研究和應用提供了全新路徑。相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然》(Nature)上。
理想熱電材料應具有高塞貝克系數、高電導率和低熱導率,滿(mǎn)足“聲子玻璃-電子晶體”模型??茖W(xué)界普遍認為,聚合物具備聲子玻璃特征,從而具有本征低熱導率?;诖?,高性能有機熱電材料的現有主要研究路徑是通過(guò)分子創(chuàng )制、組裝和摻雜調控塞貝克系數、電導率及制約關(guān)系。盡管有研究通過(guò)熱導率表征評估了有機材料的熱電優(yōu)值,但缺乏熱輸運性質(zhì)的調控策略,相應體系的熱電優(yōu)值在過(guò)去十余年沒(méi)有顯著(zhù)提升。該團隊利用PDPPSe-12和PBTTT兩種聚合物,結合分子交聯(lián)方法,構筑了具有不同結構特征的PMHJ薄膜,揭示了其熱導率的尺寸效應和界面漫反射效應。研究發(fā)現,當每種聚合物的厚度接近共軛骨架的“聲子”平均自由程時(shí),界面散射明顯增強,薄膜的晶格熱導率降低70%以上,達到0.1 W m-1 K-1。同時(shí),摻雜態(tài)(6,4,4)PMHJ薄膜展現出優(yōu)異的電輸運性質(zhì),功率因子高達628 μW m-1 K-2,368 K下的熱電優(yōu)值為1.28,達到商品化材料的室溫區熱電性能水平,帶動(dòng)塑料基熱電材料步入ZT>1.0時(shí)代。同時(shí),PMHJ結構具有優(yōu)異的普適性,且PMHJ加工方式與溶液法制備技術(shù)兼容,在柔性供能器件方面具有應用潛力。
上述成果打破了現有高性能聚合物熱電材料不依賴(lài)熱輸運調控的認知局限,為塑料基熱電材料領(lǐng)域的持續發(fā)展提供了新路徑。
研究工作得到國家自然科學(xué)基金委員會(huì )、中國科學(xué)院、北京市的資助,并獲得化學(xué)所懷柔研究中心的技術(shù)支持。