導(dǎo)電高分子作為柔性熱電材料在智能可穿戴領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。將不同的導(dǎo)電高分子共混，可設(shè)計(jì)出具有本征柔性的熱電材料。然而，對(duì)于共混導(dǎo)電高分子如何獲得高熱電性能，其性能提升的機(jī)理尚不清晰，仍處于初級(jí)探索階段。明晰共混導(dǎo)電高分子內(nèi)的載流子輸運(yùn)機(jī)理，對(duì)開發(fā)高熱電性能的共混高分子材料有著重要意義。
近期，東華大學(xué)張坤研究員課題組發(fā)現(xiàn)在聚乙撐二氧噻吩（PEDOT）基質(zhì)中加入FeCl3處理過的聚吡咯（PPy）納米線能有效提高有機(jī)薄膜的熱電性能。并結(jié)合各類表征手段和第一性原理模擬，論證了界面處能量相關(guān)的載流子散射（energy-dependentcarrier scattering）對(duì)于導(dǎo)電高分子共混薄膜性能提升有著重要意義，同時(shí)系統(tǒng)地闡明了性能提升背后的物理機(jī)制。相關(guān)工作以《導(dǎo)電聚合物納米線共混薄膜中能量相關(guān)的載流子散射對(duì)于共混物熱電性能提升的研究》（Observationof?Energy-Dependent CarrierScattering?in Conducting PolymerNanowires Blends for Enhanced Thermoelectric Performance）為題，發(fā)表在《ACS Applied Materials& Interfaces》。
這項(xiàng)工作以PEDOT納米線/PPy納米線共混導(dǎo)電高分子薄膜為研究對(duì)象。通過調(diào)控導(dǎo)電高分子納米線的電子結(jié)構(gòu)，利用第一性原理計(jì)算及UPS表征手段揭示了納米線異質(zhì)界面處可產(chǎn)生能量勢壘，同時(shí)證實(shí)了異質(zhì)界面處并無摻雜效應(yīng)（電荷轉(zhuǎn)移）。同時(shí)由第一性原理計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在PPy和PEODT分子鏈的界面處，導(dǎo)電高分子PPy能帶結(jié)構(gòu)中最高占據(jù)軌道（HOMO）的向上彎曲，導(dǎo)致了能量勢壘的產(chǎn)生。通過調(diào)控界面勢壘大小，可使得共混導(dǎo)電高分子薄膜的塞貝克系數(shù)和熱電功率因子分別提高20%和30%。由此可以確定此共混導(dǎo)電高分子的熱電性能提升是由界面勢壘導(dǎo)致的。
作者進(jìn)一步利用Kang-Snyder輸運(yùn)理論并結(jié)合熱電性能測試，發(fā)現(xiàn)PPy納米線的引入能夠增大能量相關(guān)的載流子散射系數(shù)s (energy-dependent scattering parameter)而并未改變能量不相關(guān)的輸運(yùn)系數(shù)σE0(energy-independent transport parameter)，從而證明了能量相關(guān)的載流子散射(energy-dependent carrierscattering)效應(yīng)的增強(qiáng)，從而嚴(yán)格闡釋了導(dǎo)電高分子納米線異質(zhì)界面處所產(chǎn)生的能量勢壘可有效提高共混導(dǎo)電高分子熱電性能。
該研究工作的主要意義在于較為深入全面地闡釋了全導(dǎo)電高分子基柔性熱電材料的一種熱電增強(qiáng)機(jī)制，為設(shè)計(jì)具有高熱電性能的本征柔性導(dǎo)電高分子材料提供了一定的理論支撐。本文的第一作者為東華大學(xué)紡織學(xué)院2017級(jí)博士生陳馨逸，新加坡A*Star的石文博士為共同作者，通訊作者為張坤研究員。本研究工作受國家自然科學(xué)基金、中國科協(xié)“青年人才托舉工程”、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金、東華大學(xué)高層次人才專項(xiàng)基金等項(xiàng)目的經(jīng)費(fèi)支持。
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