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中科院化學所在高性能多孔膜彩色聚合物熱電性能研究取得進展

閱讀：260 發(fā)布時間：2025-6-11
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內(nèi)容摘要：
隨著物聯(lián)網(wǎng)和可穿戴電子設(shè)備技術(shù)的快速發(fā)展,，人們對制造高性能、強視覺沖擊力的聚合物熱電（TE）器件的需求與日俱增,。然而,，現(xiàn)有的聚合物熱電材料還不能滿足這些多樣化和高水平的需求。在本研究中,，狄重安研究團隊通過引入了壓印法制成多孔聚合物薄膜,，其不僅是具有高熱電性能的半導(dǎo)體器件材料，還擁有豐富的結(jié)構(gòu)色彩,。相關(guān)論文“High Performance and Colorful Polymer Thermoelectrics with Imprinted Porous Film"發(fā)表在期刊Advanced Materials上,。
作者團隊使用林賽斯薄膜綜合物性分析儀（Linseis thin-film analyser system，TFA）對薄膜的熱電性能（塞貝克系數(shù)S,，電導(dǎo)率σ,，熱導(dǎo)率κ，熱電優(yōu)值ZT）進行了表征,。結(jié)果顯示多孔結(jié)構(gòu)不僅保留了優(yōu)異的電荷傳輸特性,，還顯著增強了聲子樣散射，從而使PDPPSe-12薄膜的熱導(dǎo)率降低了50%,。此外,，高度有序的多孔結(jié)構(gòu)還賦予了PDPPSe-12薄膜廣泛的結(jié)構(gòu)顏色和顯著的可拉伸性，使其成為可穿戴式熱電發(fā)生器的理想選擇,。這種方法可廣泛應(yīng)用于各種聚合物系統(tǒng),，為通過微結(jié)構(gòu)工程推進先進的熱電材料提供了一種新策略。

作者單位：
中國科學院化學研究所,，北京分子科學國家實驗室,，中國科學院有機固體重點實驗室
文章鏈接：
doi.org/10.1002/adma.202407692（點擊“閱讀原文"，前往網(wǎng)站）

圖文解析：
引入多孔結(jié)構(gòu)可以有效降低熱導(dǎo)率,，具體通過增強孔隙處的聲子散射,，尤其是低頻聲子。然而,，過高的孔隙率會損害電荷傳輸并降低電導(dǎo)率,，這使得在制造過程中仔細控制孔徑大小和分布至關(guān)重要。本文工作中,，作者團隊采用印跡法開發(fā)了一種周期性多孔聚合物薄膜（基于PDPPSe-12）,。為此，作者設(shè)計了三種六角排列的多孔氧化鋁模板（圖1c）,，周期為1μm,，孔徑分別為500,、600和700納米。模板印制過程包括將模板放置在PDPPSe-12薄膜上,，并在70bar的壓力下加熱至70oC持續(xù)5min,。冷卻至室溫后,，移除模板以獲得所需的多孔結(jié)構(gòu),。
圖1：多孔薄膜的加工

原子力顯微鏡（AFM）圖像顯示印跡薄膜表現(xiàn)出明顯且均勻的周期性多孔結(jié)構(gòu)（圖2），三種薄膜的孔徑分別為458±7,、548±22和652±17nm,，孔隙率分別為12.4%、18.9%和25.5%,，薄膜的表面積與體積比逐漸增加,，分別為0.0060、0.0075,、0.0087和0.0097nm^-1,。孔徑最大的薄膜,，即652nm的薄膜,，其表面積與體積比相比原始薄膜增加了62%，增加了額外的有機半導(dǎo)體/空氣界面,。

圖2：多孔薄膜表面表征

作者使用紅外相機技術(shù)對不同薄膜的瞬態(tài)傳熱過程進行了成像（圖3）,，對于沒有多孔結(jié)構(gòu)的原始薄膜，在施加80mA電流的情況下,，當距離加熱電極80和127μm時,，溫度分別在10和20 ms時顯著升高。相比之下,，對于孔徑分別為458,、543和652nm的多孔薄膜，熱傳輸距離分別降至20ms時的98,、86和64μm,，表明熱傳輸顯著受阻。作者進一步使用林賽斯薄膜分析儀（TFA）測量了面內(nèi)熱導(dǎo)率（κ）,。對于孔徑分別為458,、543和652納米的氯化鐵摻雜多孔PDPPSe-12薄膜，κ值分別降至0.37,、0.28和0.23Wm^-1K^-1（相應(yīng)的電導(dǎo)率分別為242,、179和128 Scm^-1），κ值降低高達57%,。PDPP3T,、P3HT,、PBTTT和IDT-BT薄膜設(shè)計的孔徑均為700納米，所有薄膜均表現(xiàn)出顯著的κ值降低,。
多孔薄膜的熱導(dǎo)率（κ_porous）是通過有效介質(zhì)理論計算得出的,，該理論僅考慮空氣對熱導(dǎo)率的影響。然而,，實驗觀察顯示,，多孔薄膜的實際熱導(dǎo)率低于預(yù)測值。這種差異表明,，熱導(dǎo)率的降低不僅是因為空氣的存在,，還可能與孔界面處增強的聲子散射等其他因素有關(guān)，聲子散射可以用Matthiessen規(guī)則解釋,。

圖3：熱導(dǎo)率測試

作者還研究了氯化鐵摻雜PDPPSe-12薄膜在293至383 K溫度范圍內(nèi)σ,、S和κ的溫度依賴性。如圖4a所示,，每種薄膜的σ值最初隨著溫度從293 K升至313 K而略有增加,，這可歸因于摻雜聚合物中的熱激活載流子。然而,，在313 K以上,，σ值下降，原因是摻雜反離子的散射增加以及分子振動增強阻礙了電荷傳輸,。相反的,，S值則持續(xù)上升，主要也是由于相同的熱激活機制,。所有PDPPSe-12薄膜的PF值最初隨溫度升高而增加,，但隨后減少。具體來說,，原始薄膜的PF值為270μWm^-1K^-2,，而孔徑分別為458、543和652 nm的多孔薄膜的PF值分別為265,、264和251μWm^-1K^-2（圖4b）,。此外，κ值在所有薄膜中隨溫度略有下降,。多孔和非多孔PDPPSe-12薄膜在σ,、S和κ方面表現(xiàn)出相似的趨勢。多孔PDPPSe-12薄膜中κ的顯著減少導(dǎo)致了熱電效率的顯著提高,?？讖綖?52 nm的多孔PDPPSe-12薄膜在363 K時實現(xiàn)了最高ZT值0.47±0.05，比原始PDPPSe-12薄膜提高了1.7倍（圖4c）,。這一性能突顯了p型塑料熱電材料的先進價值,。（熱電性能通常使用無量綱優(yōu)值ZT=S²σT/κ進行評估,，其中S是塞貝克系數(shù)，σ是電導(dǎo)率,，κ是熱導(dǎo)率,，T是絕對溫度。）

圖4：σ,、S和κ對溫度依賴性

對于866nm的光柵周期,，當入射光垂直照射時，隨著觀察角度從30°到50°的變化（圖5a）,，薄膜的顏色逐漸從藍色變?yōu)榧t色（PDPPSe-12薄膜的原始顏色是綠色）,。圖5b顯示了從30°到50°不同觀察角度下的衍射光譜,。隨著觀察角度的增加,，結(jié)構(gòu)色的衍射波長逐漸從400nm移動到700nm，這與圖5a中觀察到的顏色變化非常吻合,。隨著觀察角度的增加,，顏色坐標圍繞中心（白色）點順時針移動，表明從藍色（0.18, 0.06）到綠色（0.24, 0.68）再到紅色（0.67, 0.29）的變化（圖5c）,。重要的是,，這種結(jié)構(gòu)色保持穩(wěn)定，不受光化學降解的影響,，這表明其在耐久性和可持續(xù)性方面具有優(yōu)勢,。此外，薄膜的高度有序結(jié)構(gòu)消除了對染料的需求,，提供了一種無害的,、環(huán)保的方法來表達顏色，滿足了TE薄膜的美學要求,。
作者還將薄膜制成柔性器件,，器件在熱源表面產(chǎn)生了垂直溫差。將其附著在人的手臂上,，可產(chǎn)生1.6 mV的輸出電壓（圖5g）,，當熱板溫度達到180°C（ΔT = 28.7 K）時，設(shè)備表現(xiàn)出21μA的短路電流和13 mV的開路電壓,，最大輸出功率為67 nW,，柔性發(fā)電機在100°C的熱板上連續(xù)工作了12 000秒，顯示出良好的穩(wěn)定性,，在可穿戴能量收集方面具備潛力,。

圖5：薄膜光學性質(zhì)與柔性器件應(yīng)用

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