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化学与分子工程学院裴坚-王婕妤课题组在聚合物热电材料的最新研究进展

      北京大学化学与分子工程学院裴坚-王婕妤课题组与中科院化学所朱道本、狄重安合作设计发展了给体片段以原子修饰的n型给受体聚合物热电材料,利用聚合物链间的给受体相互作用维持聚合物的电子迁移率,通过引入原子增加聚合物的电子亲和性以提高n掺杂效率,两者的协同作用大幅度提高了聚合物的n型电导率。通过进一步提高聚合物的塞贝克系数,成功地将n型给受体聚合物的热电性能提高了三个数量级。引入原子的聚合物的n型电导率提升至1.3 S/cm,功率因子提升至4.6 μW/mK2,是目前n型给受体聚合物热电材料的最佳性能。  

     裴坚-王婕妤课题组通过对聚合物在掺杂状态下的电子顺磁共振谱、紫外光电子能谱和X射线光电子能谱的表征证明了原子的引入提高了聚合物的n掺杂能力。场效应晶体管器件结果则表明原子的引入提高了聚合物在n掺杂状态下的电子迁移率。这两者的协同作用使得该聚合物的电导率相比没有引入原子的聚合物提高了1000倍。此外,掠入射X射线衍射、原子力显微镜以及导电原子力显微镜实验证明了原子的引入改变了聚合物的分子排列,提高了聚合物与掺杂剂的混溶性,使聚合物从“局部掺杂”的状态转变为“均匀掺杂”状态,从而维持了掺杂聚合物较高的n型塞贝克系数。

     综上,这些最新研究进展表明,相比本征状态下的性质,聚合物在掺杂状态下的电学性能和微纳结构对其热电性能的影响更加重要。而给体片段上的原子修饰在有效提高聚合物的n掺杂效率的前提下,可以提高掺杂聚合物的电子迁移率、改进聚合物与掺杂剂的混溶性,从而大幅度提高聚合物的n型热电性能。此“给体修饰”的设计策略较为简单,可以拓展到数量众多的其他n型给受体聚合物的热电性质研究当中,有望极大地拓展n型热电聚合物家族。

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