npj Computational Materials：設計具有高性能熱電響應的有機給體–受體復合物的分子路線圖

youyoucao 2年前 (2021-07-15) 1324瀏覽

近年，由有機材料構成的低成本、易加工、綠色、柔性的全有機熱電能源轉換器件在可穿戴智能設備、醫療器件、物聯網等領域展現出誘人的應用前景，并激發廣泛的研究興趣。迄今，聚合物熱電材料的發展已經取得重大突破；而對于有機小分子熱電材料，盡管人們一直致力于提高其性能，但開發更高性能的分子熱電材料仍然是一個長期艱巨的挑戰。

有機給體–受體復合物是一類獨特的、新興的有機小分子電子材料。近年，它們在場效應晶體管、光電和熱電等方面展現出誘人前景，并激發了人們極大的研究熱情。近期，在實驗上，有機給體–受體復合物在熱電領域取得了一系列重要進展。前人對有機給體–受體復合物的熱電性質的研究主要聚焦于材料制備和性能表征。然而，目前尚未解決的一個最主要難題是，對于這一大類新興體系，我們仍然缺乏系統的材料設計指南，并且，對其基本結構–性質關系和物理過程知之甚少是造成這一問題的根本原因。

為了解決上述關鍵科學難題，近期，新加坡科技研究局（Agency for Science, Technology and Research，A*STAR），高性能計算研究所（Institute of High Performance Computing，IHPC）的Shuo-Wang Yang（楊碩望，通訊作者）研究員、Gang Wu（吳剛，通訊作者）研究員和中山大學，化學學院的Wen Shi（石文，第一作者，原工作于新加坡科技研究局，高性能計算研究所）副教授等利用密度泛函理論計算、玻爾茲曼輸運理論、Brooks–Herring方案和形變勢理論，對十三種典型有機給體–受體復合物的熱電性質進行了全面、系統的理論計算研究。他們創建了一套直觀、通用的分子路線圖，用以理性設計具有更高熱電響應性能的有機給體–受體復合物，同時提供了一套對其熱電功率因子、非直觀物理過程和基本化學結構之間相關性的統一理解。

他們的研究結果證實了孤立的給體和受體的前線分子軌道能級決定了固態復合物中的電荷轉移、電子結構、電荷輸運和熱電性能。他們發現調節給體的最高占據分子軌道和受體的最低未占據分子軌道的能級差對獲得高熱電功率因子至關重要。此外，他們還證明，在有機給體–受體復合物中，由電荷轉移引起的庫侖散射對電荷傳輸和熱電性質起主導作用。該工作提出的新理解和材料設計準則將有助于使整個有機給體–受體復合物家族的熱電性質合理化，并激發這類材料的系統開發，從而進一步提高它們的熱電性能。該理論計算工作以題為“A molecular roadmap towards organic donor-acceptor complexes with high-performance thermoelectric response”，發表在近期的《npj Computational Materials》上，全文鏈接見https://www.nature.com/articles/s41524-021-00580-y。