導(dǎo)電高分子作為柔性熱電材料在智能可穿戴領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。將不同的導(dǎo)電高分子共混,可設(shè)計(jì)出具有本征柔性的熱電材料。然而,對(duì)于共混導(dǎo)電高分子如何獲得高熱電性能,其性能提升的機(jī)理尚不清晰,仍處于初級(jí)探索階段。明晰共混導(dǎo)電高分子內(nèi)的載流子輸運(yùn)機(jī)理,對(duì)開(kāi)發(fā)高熱電性能的共混高分子材料有著重要意義。

近期,東華大學(xué)張坤研究員課題組發(fā)現(xiàn)在聚乙撐二氧噻吩(PEDOT)基質(zhì)中加入FeCl3處理過(guò)的聚吡咯(PPy)納米線能有效提高有機(jī)薄膜的熱電性能。并結(jié)合各類(lèi)表征手段和第一性原理模擬,論證了界面處能量相關(guān)的載流子散射(energy-dependentcarrier scattering)對(duì)于導(dǎo)電高分子共混薄膜性能提升有著重要意義,同時(shí)系統(tǒng)地闡明了性能提升背后的物理機(jī)制。相關(guān)工作以《導(dǎo)電聚合物納米線共混薄膜中能量相關(guān)的載流子散射對(duì)于共混物熱電性能提升的研究》(Observationof?Energy-Dependent CarrierScattering?in Conducting PolymerNanowires Blends for Enhanced Thermoelectric Performance)為題,發(fā)表在《ACS Applied Materials& Interfaces》。

東華大學(xué)張坤團(tuán)隊(duì):在導(dǎo)電高分子復(fù)合材料的熱電輸運(yùn)機(jī)理方面取得研究進(jìn)展
Fig.1 (a) 純PEDOT納米線薄膜、未經(jīng)處理的PPy納米線/PEDOT納米線共混薄膜、FeCl3處理1h的PPy納米線/PEDOT納米線共混薄膜的熱電性能對(duì)比 (b)純PEDOT納米線薄膜、FeCl3處理1h的PPy納米線薄膜和FeCl3處理1h的PPy納米線/PEDOT納米線界面處的UPS光譜 (c)- (e) PPy納米線薄膜和混合薄膜的熱電性能與PPy納米線室溫下FeCl3處理時(shí)間的關(guān)系。

 

這項(xiàng)工作以PEDOT納米線/PPy納米線共混導(dǎo)電高分子薄膜為研究對(duì)象。通過(guò)調(diào)控導(dǎo)電高分子納米線的電子結(jié)構(gòu),利用第一性原理計(jì)算及UPS表征手段揭示了納米線異質(zhì)界面處可產(chǎn)生能量勢(shì)壘,同時(shí)證實(shí)了異質(zhì)界面處并無(wú)摻雜效應(yīng)(電荷轉(zhuǎn)移)。同時(shí)由第一性原理計(jì)算發(fā)現(xiàn),在PPy和PEODT分子鏈的界面處,導(dǎo)電高分子PPy能帶結(jié)構(gòu)中最高占據(jù)軌道(HOMO)的向上彎曲,導(dǎo)致了能量勢(shì)壘的產(chǎn)生。通過(guò)調(diào)控界面勢(shì)壘大小,可使得共混導(dǎo)電高分子薄膜的塞貝克系數(shù)和熱電功率因子分別提高20%和30%。由此可以確定此共混導(dǎo)電高分子的熱電性能提升是由界面勢(shì)壘導(dǎo)致的。

東華大學(xué)張坤團(tuán)隊(duì):在導(dǎo)電高分子復(fù)合材料的熱電輸運(yùn)機(jī)理方面取得研究進(jìn)展
Fig.2(a) PEDOT單鏈和PEDOT單鏈/PPy分子鏈界面處最高已占據(jù)分子軌道 (b) 經(jīng)FeCl3處理的PPy納米線和PEDOT納米線界面處的能帶結(jié)構(gòu)。

 

作者進(jìn)一步利用Kang-Snyder輸運(yùn)理論并結(jié)合熱電性能測(cè)試,發(fā)現(xiàn)PPy納米線的引入能夠增大能量相關(guān)的載流子散射系數(shù)s (energy-dependent scattering parameter)而并未改變能量不相關(guān)的輸運(yùn)系數(shù)σE0(energy-independent transport parameter),從而證明了能量相關(guān)的載流子散射(energy-dependent carrierscattering)效應(yīng)的增強(qiáng),從而嚴(yán)格闡釋了導(dǎo)電高分子納米線異質(zhì)界面處所產(chǎn)生的能量勢(shì)壘可有效提高共混導(dǎo)電高分子熱電性能。

東華大學(xué)張坤團(tuán)隊(duì):在導(dǎo)電高分子復(fù)合材料的熱電輸運(yùn)機(jī)理方面取得研究進(jìn)展
Fig.3 (a) PEDOT納米線熱電性能基于Kang-Snyder模型的擬合圖 (b) 不同納米線共混薄膜的XRD衍射圖譜 (c)不同溫度下,純PEDOT納米線薄膜和不同納米線共混薄膜的傳輸系數(shù)σE0(d) – (f) 不同納米線共混薄膜熱電性能基于Kang-Snyder模型的擬合圖。

 

該研究工作的主要意義在于較為深入全面地闡釋了全導(dǎo)電高分子基柔性熱電材料的一種熱電增強(qiáng)機(jī)制,為設(shè)計(jì)具有高熱電性能的本征柔性導(dǎo)電高分子材料提供了一定的理論支撐。本文的第一作者為東華大學(xué)紡織學(xué)院2017級(jí)博士生陳馨逸,新加坡A*Star的石文博士為共同作者,通訊作者為張坤研究員。本研究工作受?chē)?guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科協(xié)“青年人才托舉工程”、中央高?;究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)基金、東華大學(xué)高層次人才專(zhuān)項(xiàng)基金等項(xiàng)目的經(jīng)費(fèi)支持。

 

論文鏈接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c09907

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