研究人员实现了具有高热电品质因数的多异质结塑料

有机热电材料作为物联网和可穿戴电子产品的柔性能源具有巨大的前景。然而，与传统材料相比，它们相对较低的无量纲品质因数（ZT）一直是一个主要障碍，限制了它们在热电发电和固态冷却中的应用

中国科学院化学研究所的狄崇安教授和北航大学的赵利东教授及其合作者介绍了一种聚合物多异质结（PMHJ）结构，其ZT超过1.0。这项研究发表在《自然》杂志上

在这项研究中，研究人员提出了PMHJ结构来操纵有机体系中的热导率。这种新颖的设计具有周期性排列的纳米结构，每个聚合物层的厚度小于10nm。相邻的界面层大约有两个分子层厚，并表现出体异质结特性

通过精确控制聚合物层厚度和界面结构特性，研究人员研究了PMHJ结构内声子/类声子热振动的尺寸效应和扩散散射

他们发现，随着层厚度接近沿共轭骨架方向的声子平均自由程，界面散射增强，导致薄膜的晶格热导率显著降低70%以上，降至0.1 W m-1 K-1。此外，他们发现掺杂的（6,4,4）薄膜表现出优异的电输运性能，功率因数高达628μW m-1 K-2，最大ZT为1.28，远远超过了目前的有机热电材料

除了这些成就外，PMHJ薄膜还与大面积溶液加工技术兼容。热电集成器件表现出令人印象深刻的归一化功率密度1.12μW cm-2 K-2，突出了它们在柔性电源组件中的应用潜力

这项研究强调了纳米结构工程在克服低ZT导致的弱相互作用塑料的局限性方面的重要性。它为塑料基热电材料的发展提供了一种新方法 More information: Dongyang Wang et al, Multi-heterojunctioned plastics with high thermoelectric figure of merit, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07724-2

Journal information: Nature