上海矽酸鹽所有機熱電材料研究取得進展---中國科學院

2020-12-01 中國科學院

上海矽酸鹽所有機熱電材料研究取得進展

2020-10-20 上海矽酸鹽研究所

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語音播報

　　有機聚合物熱電材料是一類新興的可實現熱與電直接轉換的清潔能源材料，這類材料可溶液加工、質輕價廉、具有優異的柔韌性，在可穿戴電子器件領域具有潛在應用價值。與無機熱電材料相比，聚合物熱電材料種類匱乏、熱電轉換性能低，主要原因是缺乏對分子結構與熱電性能關係的深入認識。化學摻雜是提高聚合物導電能力、調控其熱電性能的主要手段，目前聚合物半導體材料摻雜效率低，且高濃度摻雜容易破壞聚合物自身堆積從而顯著降低載流子遷移率，不僅不能獲得高電導同時降低了澤貝克係數，而且限制熱電器件性能的提升。

　　近日，中國科學院上海矽酸鹽研究所副研究員李慧和研究員陳立東利用功能基元隨機共聚策略，將給-受體型構築單元和聯噻吩單元通過Stille偶聯反應共聚，獲得一系列新型導電高分子，實現摻雜效率和遷移率的協同優化，為高性能聚合物熱電材料的結構設計提供新方案。相關研究成果以Synergistically Improved Molecular Doping and Carrie Mobility by Copolymerization of Donor-Acceptor and Donor-Donor Building Blocks for Thermoelectric Application為題，發表在Advanced Functional Materials上，論文被選為當期back cover。

　　這類新材料的化學結構具有以下特點：（1）利用給-受體單元之間靜電相互作用增強聚合物鏈之間緊密堆積。（2）烷氧基修飾的聯噻吩給體單元提高聚合物的摻雜效率。（3）利用隨機共聚方法使聚合物主鏈具有不規整性，有利於提高澤貝克係數。相較於常規的聚噻吩類半導體本徵遷移率低、高濃度摻雜容易導致薄膜脆性和給-受體交替型聚合物半導體較難摻雜、並且在高濃度摻雜時遷移率顯著下降，通過功能基元共聚策略可以結合不同聚合單元的優勢，從而保證聚合物良好結晶性的前提下獲得高摻雜效率，使得新型聚合物半導體在較高濃度摻雜時載流子遷移率依然保持在1 cm2 V-1 s-1以上，且載流子濃度可達到1020~1021 cm-3，最終獲得高電導率的柔性薄膜。此外，由於隨機共聚可以降低聚合物主鏈的規整度，使得新型聚合物的澤貝克係數高於全噻吩聚合物，最終功率因子高於110 μW K-2 m-1，證明功能基元的隨機共聚是製備新型高性能熱電材料的有效策略。

　　研究工作得到國家重大研究計劃、國家自然科學基金、上海市揚帆計劃等項目的支持。李慧為論文第一作者和通訊作者，陳立東為論文共同通訊作者。

經典的聚噻吩類（上）、給-受體交替型聚合物（中）以及研究中設計的新型聚合物（下）化學摻雜特徵和熱電參數關係

霍爾遷移率和載流子濃度隨摻雜濃度的變化趨勢以及聚合物熱電性能


　　有機聚合物熱電材料是一類新興的可實現熱與電直接轉換的清潔能源材料，這類材料可溶液加工、質輕價廉、具有優異的柔韌性，在可穿戴電子器件領域具有潛在應用價值。與無機熱電材料相比，聚合物熱電材料種類匱乏、熱電轉換性能低，主要原因是缺乏對分子結構與熱電性能關係的深入認識。化學摻雜是提高聚合物導電能力、調控其熱電性能的主要手段，目前聚合物半導體材料摻雜效率低，且高濃度摻雜容易破壞聚合物自身堆積從而顯著降低載流子遷移率，不僅不能獲得高電導同時降低了澤貝克係數，而且限制熱電器件性能的提升。
　　近日，中國科學院上海矽酸鹽研究所副研究員李慧和研究員陳立東利用功能基元隨機共聚策略，將給-受體型構築單元和聯噻吩單元通過Stille偶聯反應共聚，獲得一系列新型導電高分子，實現摻雜效率和遷移率的協同優化，為高性能聚合物熱電材料的結構設計提供新方案。相關研究成果以Synergistically Improved Molecular Doping and Carrie Mobility by Copolymerization of Donor-Acceptor and Donor-Donor Building Blocks for Thermoelectric Application為題，發表在Advanced Functional Materials上，論文被選為當期back cover。
　　這類新材料的化學結構具有以下特點：（1）利用給-受體單元之間靜電相互作用增強聚合物鏈之間緊密堆積。（2）烷氧基修飾的聯噻吩給體單元提高聚合物的摻雜效率。（3）利用隨機共聚方法使聚合物主鏈具有不規整性，有利於提高澤貝克係數。相較於常規的聚噻吩類半導體本徵遷移率低、高濃度摻雜容易導致薄膜脆性和給-受體交替型聚合物半導體較難摻雜、並且在高濃度摻雜時遷移率顯著下降，通過功能基元共聚策略可以結合不同聚合單元的優勢，從而保證聚合物良好結晶性的前提下獲得高摻雜效率，使得新型聚合物半導體在較高濃度摻雜時載流子遷移率依然保持在1 cm2 V-1 s-1以上，且載流子濃度可達到1020~1021 cm-3，最終獲得高電導率的柔性薄膜。此外，由於隨機共聚可以降低聚合物主鏈的規整度，使得新型聚合物的澤貝克係數高於全噻吩聚合物，最終功率因子高於110 μW K-2 m-1，證明功能基元的隨機共聚是製備新型高性能熱電材料的有效策略。
　　研究工作得到國家重大研究計劃、國家自然科學基金、上海市揚帆計劃等項目的支持。李慧為論文第一作者和通訊作者，陳立東為論文共同通訊作者。
　　經典的聚噻吩類（上）、給-受體交替型聚合物（中）以及研究中設計的新型聚合物（下）化學摻雜特徵和熱電參數關係
　　霍爾遷移率和載流子濃度隨摻雜濃度的變化趨勢以及聚合物熱電性能
　　

列印 責任編輯：侯茜

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