化學(xué)與分子工程學(xué)院裴堅-王婕妤課題組在聚合物熱電材料的最新研究進(jìn)展
熱電器件是利用半導(dǎo)體的熱電效應(yīng)實現(xiàn)熱能和電能之間直接轉(zhuǎn)換的半導(dǎo)體器件，其在極端條件下的熱能發(fā)電、微區(qū)域局部溫度調(diào)控等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。有機(jī)聚合物熱電材料因其低熱導(dǎo)率、可溶液加工、以及輕薄柔性等特點在下一代熱電器件中有巨大的應(yīng)用價值。然而，聚合物熱電器件中不可或缺的另一半 — n型聚合物熱電材料，其研究進(jìn)展較為緩慢，熱電性能普遍低于p型熱電材料。如何通過n型聚合物分子結(jié)構(gòu)的改進(jìn)來提高熱電性能是聚合物熱電材料領(lǐng)域研究的關(guān)鍵。
北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院裴堅-王婕妤課題組與中科院化學(xué)所朱道本、狄重安合作設(shè)計發(fā)展了給體片段以氟原子修飾的n型給受體聚合物熱電材料，利用聚合物鏈間的給受體相互作用維持聚合物的電子遷移率，通過引入氟原子增加聚合物的電子親和性以提高n摻雜效率，兩者的協(xié)同作用大幅度提高了聚合物的n型電導(dǎo)率。通過進(jìn)一步提高聚合物的塞貝克系數(shù)，成功地將n型給受體聚合物的熱電性能提高了三個數(shù)量級。引入氟原子的聚合物的n型電導(dǎo)率提升至1.3 S/cm，功率因子提升至4.6 μW/mK2，是目前n型給受體聚合物熱電材料的最佳性能。
“給體修飾”n型給受體聚合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)和熱電性能
裴堅-王婕妤課題組通過對聚合物在摻雜狀態(tài)下的電子順磁共振譜、紫外光電子能譜和X射線光電子能譜的表征證明了氟原子的引入提高了聚合物的n摻雜能力。場效應(yīng)晶體管器件結(jié)果則表明氟原子的引入提高了聚合物在n摻雜狀態(tài)下的電子遷移率。這兩者的協(xié)同作用使得該聚合物的電導(dǎo)率相比沒有引入氟原子的聚合物提高了1000倍。此外，掠入射X射線衍射、原子力顯微鏡以及導(dǎo)電原子力顯微鏡實驗證明了氟原子的引入改變了聚合物的分子排列，提高了聚合物與摻雜劑的混溶性，使聚合物從“局部摻雜”的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)?ldquo;均勻摻雜”狀態(tài)，從而維持了摻雜聚合物較高的n型塞貝克系數(shù)。
綜上，這些最新研究進(jìn)展表明，相比本征狀態(tài)下的性質(zhì)，聚合物在摻雜狀態(tài)下的電學(xué)性能和微納結(jié)構(gòu)對其熱電性能的影響更加重要。而給體片段上的氟原子修飾在有效提高聚合物的n摻雜效率的前提下，可以提高摻雜聚合物的電子遷移率、改進(jìn)聚合物與摻雜劑的混溶性，從而大幅度提高聚合物的n型熱電性能。此“給體修飾”的設(shè)計策略較為簡單，可以拓展到數(shù)量眾多的其他n型給受體聚合物的熱電性質(zhì)研究當(dāng)中，有望極大地拓展n型熱電聚合物家族。
該研究工作發(fā)表在材料與工程科學(xué)領(lǐng)域頂級期刊《Advanced Materials》上，論文的第一作者為北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院博士生楊馳遠(yuǎn)。在過去幾年中，他們在聚合物熱電材料的研究取得了一系列進(jìn)展，這些研究成果發(fā)表在Advanced Electronic Materials , 2017, 11, 1700164；ACS applied materials & interfaces, 2016, 8, 24737；Journal of the American Chemical Society, 2015, 137, 6979.
文章鏈接：
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201802850/full
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