格罗宁根大学发现“易导电难导热”有机电子晶体热电材料!

科技工作者之家 11月19日

来源:高分子科学前沿

大家都知道金属材料非常导电,同时也是很好的导热材料;与之相反,塑料的导热性较差,同时也几乎不导电。导电和导热作为材料的两个基本属性,总是相互依存。热电材料的性能的优化需要其电导性好,但导热性差,俗称‘电子晶体,声子玻璃’!

最近,格罗宁根大学刘剑博士和Jan Anton Koster 教授团队首次报道了一种电子型的有机热电材料,其性质十分接近理想中的‘电子晶体,声子玻璃’,电导率高达10 S/cm,但热导率却小于0.1 W/m/K,达到固体材料热导率的理论下线。这种有机‘电子晶体,声子玻璃’热电材料的实现得益于一种特殊的侧链结构—‘似张开双臂’的极性双链的设计,可以在适当热处理后从‘无定形态’转变为‘高度有序态’。

侧链结构筛选

侧链用来修饰富勒烯或共轭分子材料的初衷是增加后者在有机溶剂中的溶解性,以便具有溶液加工的优势。但是,不导电的侧链常常会扰乱富勒烯分子的有序排列,降低后者的导电能力。wt_a72392020111212215_7426e9.jpg图a展示具有不同侧链结构的富勒烯衍生物; 图b显示几种富勒烯材料分子掺杂后,电导率随着热处理温度的变化。

研究人员通过筛选侧链的极性,长度和几何结构,发现了一种‘似张开双臂’的极性双链(PTEG-2)可以使电学掺杂后的富勒烯衍生物材料在经过适当温度退火处理后,获得接近4倍的电导率增益。

无定形态向高结晶态的相转变

当热处理温度从120 ℃ 增加到 150 ℃后,分子排列明显从无定形结构(图a)转变为高度结晶取向结构(图b),这种高度有序的分子排列在动态分子模拟中获得重现。wt_a52312020119212215_7c1d26.jpg图a-d 富勒烯衍生物薄膜的二维x-射线衍射图谱;图e 富勒烯分子排列结构的动态分子模拟。

温度依赖性的热电性能wt_a72392020111212217_9903f9.jpg图a-d 热电性能参数的温度依赖性。

相比无机热电材料,有机热电材料的一个重要优势就是具备柔性和低热导率,可以用于可穿戴设备中,将人体或周围环境的热量转换为电能,。因此,能否在室温以上还能保持优良的热电性能非常重要。上图显示,掺杂富勒烯衍生物材料的电导率有较大的温度依赖性(先随温度增加,然后衰减),而其他热电参数(例如塞贝克系数和热导率)的温度依赖性较小,研究人员发现在工作温度为100 ℃-130 ℃区间,热电优值达到最佳(ZT>0.3),是目前N型有机单一主体热电材料的最好结果。

该研究的最大意义在于首次将经典的‘电子晶体,声子玻璃’概念引入到有机热电领域,指导高性能有机热电材料的设计;通过简单的侧链工程,实现了有机分子排列的高度有序,为长久以来溶液加工有机薄膜有序性差的关键问题,提供了一种可行的解决方案。

材料 分子 热电

推荐资讯