第一作者：楊馳遠
通訊作者：裴堅
通訊單位：北京大學
研究亮點：
提出“給體修飾”的設計策略，在給體片段上進行氟原子修飾，有效提高聚合物的n摻雜效率，從而大幅度提高聚合物的n型熱電性能。
熱電器件是利用半導體的熱電效應實現熱能和電能之間直接轉換的半導體器件，其在極端條件下的熱能發電、微區域局部溫度調控等領域具有重要的應用。有機聚合物熱電材料因其低熱導率、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型聚合物分子結構的改進來提高熱電性能是聚合物熱電材料領域研究的關鍵。
有鑒于此，北京大學化學與分子工程學院裴堅課題組設計了給體片段以氟原子修飾的n型給受體聚合物熱電材料。
圖1.聚合物分子結構和基本性質表征
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，兩者的協同作用大幅度提高了聚合物的n型電導率。
通過進一步提高聚合物的塞貝克系數，成功地將n型給受體聚合物的熱電性能提高了三個數量級。引入氟原子的聚合物的n型電導率提升至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。
圖2.“給體修飾”n型給受體聚合物的化學結構和熱電性能
裴堅-王婕妤課題組通過對聚合物在摻雜狀態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。場效應晶體管器件結果則表明氟原子的引入提高了聚合物在n摻雜狀態下的電子遷移率。這兩者的協同作用使得該聚合物的電導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”的狀態轉變為“均勻摻雜”狀態，從而維持了摻雜聚合物較高的n型塞貝克系數。
圖3.固有和摻雜聚合物薄膜的固態微結構
綜上，相比本征狀態下的性質，聚合物在摻雜狀態下的電學性能和微納結構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”的設計策略較為簡單，可以拓展到數量眾多的其他n型給受體聚合物的熱電性質研究當中，有望極大地拓展n型熱電聚合物家族。
本文整理自 清新電源
參考文獻：
Enhancing the n‐Type Conductivity and Thermoelectric Performance of Donor–Acceptor Copolymers through Donor Engineering[J], Advanced Materials, 2018.
DOI: 10.1002/adma.201802850
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201802850
