格羅寧根大學發現「易導電難導熱」有機電子晶體熱電材料

大家都知道金屬材料非常導電,同時也是很好的導熱材料;與之相反,塑料的導熱性較差,同時也幾乎不導電。導電和導熱作為材料的兩個基本屬性,總是相互依存。熱電材料的性能的優化需要其電導性好,但導熱性差,俗稱『電子晶體,聲子玻璃』!

最近,格羅寧根大學劉劍博士和Jan Anton Koster 教授團隊首次報導了一種電子型的有機熱電材料,其性質十分接近理想中的『電子晶體,聲子玻璃』,電導率高達10 S/cm,但熱導率卻小於0.1
W/m/K,達到固體材料熱導率的理論下線。
這種有機『電子晶體,聲子玻璃』熱電材料的實現得益於一種特殊的側鏈結構—『似張開雙臂』的極性雙鏈的設計,可以在適當熱處理後從『無定形態』轉變為『高度有序態』。

側鏈結構篩選

側鏈用來修飾富勒烯或共軛分子材料的初衷是增加後者在有機溶劑中的溶解性,以便具有溶液加工的優勢。但是,不導電的側鏈常常會擾亂富勒烯分子的有序排列,降低後者的導電能力。

格羅寧根大學發現「易導電難導熱」有機電子晶體熱電材料

圖a展示具有不同側鏈結構的富勒烯衍生物; 圖b顯示幾種富勒烯材料分子摻雜後,電導率隨著熱處理溫度的變化。

研究人員通過篩選側鏈的極性,長度和幾何結構,發現了一種『似張開雙臂』的極性雙鏈(PTEG-2)可以使電學摻雜後的富勒烯衍生物材料在經過適當溫度退火處理後,獲得接近4倍的電導率增益。

無定形態向高結晶態的相轉變

當熱處理溫度從120 ℃ 增加到 150 ℃後,分子排列明顯從無定形結構(圖a)轉變為高度結晶取向結構(圖b),這種高度有序的分子排列在動態分子模擬中獲得重現。

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圖a-d 富勒烯衍生物薄膜的二維x-射線衍射圖譜;圖e 富勒烯分子排列結構的動態分子模擬。

溫度依賴性的熱電性能

格羅寧根大學發現「易導電難導熱」有機電子晶體熱電材料

圖a-d 熱電性能參數的溫度依賴性。

相比無機熱電材料,有機熱電材料的一個重要優勢就是具備柔性和低熱導率,可以用於可穿戴設備中,將人體或周圍環境的熱量轉換為電能,。因此,能否在室溫以上還能保持優良的熱電性能非常重要。上圖顯示,摻雜富勒烯衍生物材料的電導率有較大的溫度依賴性(先隨溫度增加,然後衰減),而其他熱電參數(例如塞貝克係數和熱導率)的溫度依賴性較小,研究人員發現在工作溫度為100 ℃-130
℃區間,熱電優值達到最佳(ZT>0.3),是目前N型有機單一主體熱電材料的最好結果。

該研究的最大意義在於首次將經典的『電子晶體,聲子玻璃』概念引入到有機熱電領域,指導高性能有機熱電材料的設計;通過簡單的側鏈工程,實現了有機分子排列的高度有序,為長久以來溶液加工有機薄膜有序性差的關鍵問題,提供了一種可行的解決方案。

參考文獻:

Liu, J., van der Zee, B., Alessandri, R. et al.N-type organic thermoelectrics: demonstration ofZT> 0.3.Nat Commun11, 5694 (2020).
https://doi.org/10.1038/s41467-020-19537-8

來源:高分子科學前沿

格羅寧根大學發現「易導電難導熱」有機電子晶體熱電材料
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來源:kknews格羅寧根大學發現「易導電難導熱」有機電子晶體熱電材料