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中国研究人员开发出聚合物多异质结结构可显著提高有机热电材料的无量纲优值

盖世汽车钟群 2024-07-31 09:40:43

盖世汽车讯有机热电材料有望成为物联网和可穿戴电子产品的柔性能源。然而，与传统材料相比，有机热电材料的无量纲优值（ZT）相对较低，这一直是限制其在热电发电和固态冷却领域应用的主要障碍。

图片来源：《Nature》

据外媒报道，中国科学院化学研究所（Institute of Chemistry of the Chinese Academy of Sciences）狄重安教授和北京航空航天大学（Beihang University）赵立东教授及其合作者推出聚合物多异质结（PMHJ）结构，其ZT值超过了1.0。这项研究成果已发表在期刊《自然》（Nature）上。

理想的热电材料应符合“声子玻璃—电子晶体”模型。目前，提高功率因数是开发高性能有机热电材料的重点。尽管研究人员通过评估热导率来提高热电效率，但在过去十年中，由于缺乏针对软材料系统中声子散射的有效策略，提高ZT值的研究一直未能取得重大进展。

在这项研究中，研究人员提出了PMHJ结构来操纵有机系统的热导率。这种新颖的设计具有周期性排列的纳米结构，每个聚合物层的厚度小于10nm。相邻的界面层大约仅有两个分子层厚，并且表现出多异质结特性。

通过精确控制聚合物层厚度和界面结构特性，研究人员研究了PMHJ结构内声子/类声子热振动的尺寸效应和扩散散射。

研究人员发现，当层厚度沿共轭骨架方向接近声子平均自由程时，界面散射会加剧，导致薄膜的晶格热导率显著降低70%以上，降至0.1W m-1 K-1。此外，他们还发现掺杂的（6,4,4）薄膜表现出优异的电传输性能，功率因数高达628μW m-1 K-2，最大ZT值为1.28，远远超过了目前的有机热电材料。

除此之外，PMHJ薄膜还与大面积溶液加工技术兼容。热电集成器件的归一化功率密度达到惊人的1.12μW cm-2 K-2，凸显了其在柔性电源组件中的应用潜力。

这项研究表明，纳米结构工程能够克服由于低ZT值导致的弱相互作用塑料的局限性，为塑料基热电材料的发展提供了一条新途径。