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科技工作者之家 2020-09-06
来源:材料人
【背景介绍】共轭聚合物具有独特的光电性能、溶液加工性和高机械柔性,被广泛的关注。研究发现,电导率(σ)和热导率(κ)随载流子浓度增加而增加,而Seebeck系数(S)却相反。其中,分子掺杂是精确调控聚合物半导体载流子浓度的强大工具。但是,共轭聚合物的掺杂效率远远低于理论极限,限制了热电性能的提升,特别是在n-型掺杂材料体系中。目前,仍不清楚分子掺杂剂或它们的抗衡离子在导电聚合物中的作用及其对电荷传输的影响。共轭聚合物的掺杂效率是指对两个过程的综合评估:(1)就n-型掺杂而言,掺杂剂向主体聚合物提供电子或负氢,然后在电离后的掺杂剂和带电聚合物间形成库仑离子对,这称之为掺杂剂的离子化过程;(2)自由载流子从阳-阴离子对中释放出来,即载流子化过程。通过调节主体聚合物的电子亲和能和调节掺杂剂与主体材料之间的混溶性被证明是优化离子化过程的有效方法。然而,大多数掺杂体系表现出高离子化效率和低载流子化效率的特点。同时,掺杂剂的抗衡离子作为杂质,会扰乱聚合物有序的微观结构并拓宽其电子态密度(DOS),使得载流子迁移率、塞贝克系数和热电性能变差。因此,非常需要与共轭主链的相互作用弱且尺寸小的、不会减弱聚合物的微结构有序性的掺杂剂抗衡离子。【成果简介】近日,北京大学的裴坚教授和山东师范大学的唐波教授(共同通讯作者)等人报道了他们选择三氨基甲烷衍生物(TAM)和4-(1,3-二甲基-2,3-二氢-1H-苯并咪唑-2基)苯基)二甲基胺(N-DMBI-H)来研究分子掺杂剂阳离子对n-型掺杂的UFBDPPV聚合物的导电和热电性能的影响。它们对应的阳离子有不同的化学结构、分子体积和芳香性,会直接影响与主体的相互作用,包括导电聚合物的主链与阳离子之间的π-相互作用以及掺杂阳离子在聚合物上的负载位置。通过详细表征后,对比N-DMBI-H掺杂结果,TAM掺杂UFBDPPV系统表现出显着更高的载流子化特性。深入研究发现,TAM阳离子具有较弱的芳香性和较小的体积,导致与共轭主链的相互作用降低,并且对聚合物构象和微结构的扰动可忽略不计。TAM掺杂体系的这些特征有助于其在导电薄膜中实现高迁移率,在相对较低的掺杂水平下实现了22±2.5 S cm-1的高电导率。结合高Seebeck系数,掺杂TAM的UFBDPPV薄膜在80 μWm-1 K-2上显示出高功率因数,是目前n-型掺杂聚合物中的最高值。此外,该结论在其他聚合物中也是有效的,证明了其在提升n-型掺杂聚合物热电性能方面的普遍性。该研究展示了掺杂剂抗衡离子在导电聚合物中的关键作用,并为二元掺杂剂/聚合物系统提供了合理的设计策略。研究成果以题为“The Critical Role of Dopant Cations in Electrical Conductivity and Thermoelectric Performance of n-Doped Polymers”发布在国际著名期刊 J. Am. Chem. Soc.上。【图文解读】图一、UFBDPPV聚合物的合成路线来源:icailiaoren 材料人
原文链接:https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MjM5ODcyMzk0Mg==&mid=2651082732&idx=4&sn=cc9adcb0d351dbad9b878130b831d59e&chksm=bd3687e58a410ef33da8ea43ab31c8f45a533444f684c1320d32392a3c3efd47598110c238f6#rd
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