研究背景
隨著物聯網（IoT）技術的快速發展，如何有效地利用廢熱為各種可穿戴電子設備供電，成為了研究的熱點。柔性熱電發電機（TEGs）因其優異的附著力、無需活動部件及高可靠性，成為實現這一目標的理想選擇。共軛聚合物由于其輕質、豐富的分子可用性、溶液加工性以及低楊氏模量，展現出巨大的應用潛力。然而，實際應用中，聚合物熱電材料的低無量綱優值（ZT）嚴重限制了其性能和應用范圍。熱電材料的性能通常通過ZT值來衡量，其定義為材料的熱電優值。ZT值的高低直接影響材料在實際應用中的效能。理想的熱電材料應同時具備高電導率（σ）和低熱導率（κ），即在電荷傳輸方面接近晶體極限，而在聲子散射方面達到無定形極限。然而，目前的聚合物熱電材料普遍存在ZT值低的問題，盡管科學界通過精細調節共軛骨架、設計功能側鏈、操縱凝聚結構和工程化摻雜水平等多種方法進行嘗試，但其ZT值仍從0.01到0.5不等，遠低于商用塊材（ZT298K = 0.8-1.0）和一些柔性無機候選材料（ZT = 0.6-1.1）。在聲子玻璃電子晶體模型的框架下，解決電導率和熱導率之間的矛盾是提高ZT值的關鍵。然而，這種方法在聚合物中應用受到挑戰，因為它們缺乏有序的晶格結構和在溶液涂覆過程中可能導致的下層聚合物重新溶解（溶劑腐蝕），從而妨礙了理想結構的構建。因此，如何有效地抑制聚合物的熱導率（κL）并提升其電荷傳輸性能，成為了當前的研究難題。 為此，中國科學院化學研究所朱道本/狄重安研究團隊、北京航空航天大學趙立東課題組及國內外研究團隊合作在“Nature”期刊上發表了題為“Multi-heterojunctioned plastics with high thermoelectric figure of merit”的最新論文。他們提出了創新的解決方案：設計聚合物基的層級異質結納米結構，借鑒超晶格框架的周期幾何結構，并通過精細調節溶劑腐蝕創建夾層體異質結界面。這種聚合物多重異質結（PMHJ）結構通過在界面處增強聲子散射來顯著降低熱導率，同時保持高效的電荷傳輸。作者在本研究中首次提出并實現了這種PMHJ結構，通過操控聚合物和界面的厚度，實現了在368K下高達1.28的ZT值。這一成果不僅超過了1.0的ZT值閾值，而且在近室溫區域內的表現優于商用熱電材料，展示了其在大面積、低成本可穿戴熱電器件中的廣泛應用前景。這項研究為塑料熱電材料的未來發展奠定了基礎，為實現高效、經濟的可穿戴熱電技術提供了新的路徑。
研究亮點
1. 實驗首次實現了聚合物多重異質結（PMHJ）結構的高-ZT值熱電塑料 本文首次通過創建具有周期性雙異質結特征的PMHJ結構來實現高ZT值熱電塑料。每個周期由兩個具有亞10納米厚度的聚合物層和一個互穿的體異質結界面組成。這種結構顯著增強了界面聲子散射，同時保持了高效的電荷傳輸，從而實現了優異的熱電性能。2. 實驗通過優化聚合物層和界面厚度，顯著提高了熱電性能 通過將單個聚合物和界面的厚度控制在亞10納米和亞5納米，PMHJ薄膜不僅保留了顯著的功率因子（628 μW m?1 K?2），還實現了低面內熱導率，達到0.18 W m?1 K?1。與單一聚合物相比，這種結構顯著降低了熱導率（降低超過60%），并提高了功率因子，最終在368 K時獲得了高達1.28的最大ZT值。該結果超越了商用熱電材料和現有的柔性熱電候選材料，展示了PMHJ結構在近室溫區域的優越性能。3. 實驗驗證了PMHJ結構與溶液涂覆技術的兼容性 研究還證明了PMHJ結構與溶液涂覆技術的兼容性，使得大面積塑料熱電器件的制造成為可能。這一發現為實現低成本、可穿戴的熱電技術鋪平了道路，并推動了聚合物多重異質結在可穿戴熱電技術中的應用前景。
圖文解讀
總結展望
本文通過提出并實現聚合物多重異質結（PMHJ）結構，展示了一種創新的設計思路，通過周期性雙異質結特征和亞10納米的層狀異質結結構，大幅度提升了聚合物熱電材料的性能。這一發現表明，傳統的熱電塑料低ZT值限制可以通過先進的結構設計得到有效突破，開創了利用納米結構優化熱電性能的新途徑。其次，實驗結果揭示了增強界面聲子散射的有效性。PMHJ薄膜在368 K時實現了1.28的高ZT值，同時熱導率降低了60%以上，功率因子顯著提高。這說明通過精細調節界面結構，可以顯著改善熱電材料的性能，為材料設計提供了新的方向，尤其是在提升熱電材料的熱導率和電導率之間的平衡方面。更重要的是，本文驗證了PMHJ結構與大面積溶液涂覆技術的兼容性，為實際應用中的大面積熱電器件提供了可行的解決方案。這一結果不僅推動了低成本、可穿戴熱電技術的發展，也為塑料熱電材料的規模化生產奠定了基礎。這一科學進展表明，結合結構創新與生產技術優化，可以在熱電材料領域實現跨越式發展，為未來的可穿戴電子設備和能源回收系統提供了重要的技術支持。Wang, D., Ding, J., Ma, Y. et al. Multi-heterojunctioned plastics with high thermoelectric figure of merit. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07724-2
