Nature：多周期異質結聚合物熱電材料

金爵 2個月前 (07-25) 1861瀏覽

一、 【科學背景】??

? ? ? ?高性能熱電材料能夠將熱能轉換為電能或者將電能轉換為熱能。這些材料通常具有高的熱電轉換效率、低的熱導率和高的電導率，能夠在熱電設備中發揮重要作用。在這項工作中，提出了一個聚合物多異質結（PMHJ）與周期性的雙異質結的概念，其中每個周期是由兩個不同的聚合物層和它們的夾層互穿界面。通過將單個聚合物和界面厚度分別控制為小于10 nm和小于5 nm，PMHJ膜不僅保持了顯著的功率因數，而且通過增強界面傳播子散射產生了低的面內熱導率。這些最終在368 K時產生最大ZT為1.28。該性能超過了1.0的值，并且在近室溫區域優于市售熱電材料。更重要的是，PMHJ結構與大面積溶液涂層技術兼容，使其成為低成本可穿戴式熱電器件的選擇。論文通訊作者為中國科學院化學研究所狄重安研究員和北京航空航天大學趙立東教授，共同第一作者為中國科學院化學研究所王東洋博士、丁嘉敏博士和馬英喬博士，相關研究成果以“Multi-heterojunctioned plastics with high thermoelectric figure of merit”為題目發表在國際頂級期刊Nature上。

二、【科學貢獻】

? ? ? ?PMHJ結構由兩種不同聚合物交替沉積組成，每個周期包含兩種聚合物層和具有體相異質特征的界面層。當聚合物層厚度接近沿共軛骨架方向的“聲子”平均自由程時，可以高效散射聲子與類聲子傳播，顯著降低晶格熱導率。

圖1 PMHJ結構的概念和TOF-SIMS圖像。? 2024 Nature

圖2 PMHJ薄膜的界面重構。? 2024 Nature

圖3 PMHJ薄膜的熱輸運性質和熱電性能。? 2024 Nature

圖4 溶液涂覆的大面積PMHJ薄膜和柔性發電機。? 2024 Nature

三、【 創新點】?

? ? ? 1．利用溶液法技術實現了PMHJ薄膜的大面積制備，TOF-SIMS表征也進一步證實了大面積薄膜的均勻性。大面積集成器件的歸一化功率密度達到1.12 μW cm-2 K-2。

  1. 氯化鐵摻雜后的PMHJ薄膜展現出優異的電輸運性質，368 K下的熱電優值為1.28，達到商品化材料的室溫區熱電性能水平。
  2. PMHJ結構薄膜的熱導率降低了36%~76%，表明了該結構在熱輸運調控方面的普適性。

四、【 科學啟迪】

? ? ? ?總之，研究表明了PMHJ設計在開發特殊的高ZT塑料在熱電材料方面具有有效性。PMHJ結構還與可擴展的涂層技術兼容，為解鎖超柔性塑料材料提供了一條途徑，以實現最先進且具有成本效益的可穿戴熱電器件。上述結果表明，PMHJ器件在室溫區ZT值、熱導率、彎曲半徑、歸一化功率密度、大面積制備能力和低加工溫度等方面具有綜合優勢，展示了PMHJ材料在柔性供能器件方面的重要應用潛力。

原文詳情：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07724-2

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