导语

近日，沙特阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）Derya Baran教授、Diego Rosas Villalva博士和德国海德堡大学Martijn Kemerink教授等合作在《Nature Materials》期刊发表了一项突破性研究，提出了一种基于分子间力驱动各向异性（MFDA）的新策略，成功打破n型共轭聚合物（CPs）在热电性能中电导率（σ）与塞贝克系数（S）的固有折衷关系。该研究通过精准调控聚合物分子取向，实现了功率因子（PF）的显著提升，为有机热电材料的性能优化提供了全新思路。

研究背景：热电性能的“跷跷板”困境

有机热电材料可将废热转化为电能，但其性能受制于电导率（σ）与塞贝克系数（S）的逆相关关系——提升σ往往导致S下降，反之亦然。传统策略通过化学掺杂优化电荷密度，但难以突破这一“跷跷板”效应。研究团队指出，共轭聚合物的分子取向（如边缘取向或面取向）对电荷传输方向具有决定性影响，但如何简单、可重复地调控取向仍是难题。

图 1.有机 TE 和 MFDA 的基础。

技术突破：分子力驱动各向异性策略

研究团队提出MFDA策略，核心创新包括：

1.溶剂与掺杂剂协同调控：基于Hansen溶解度参数（HSP）框架，选择与聚合物亲和力适中的溶剂（如氯苯CB），促使溶液预聚集体形成边缘取向的薄膜。

2.掺杂剂优化结构：采用N-DMBI掺杂剂，其分子间力可增强聚合物结晶度，减少结构缺陷，进一步提升电荷离域长度。

3.动力学蒙特卡洛模拟验证：通过模拟发现，边缘取向可显著增加面内电荷离域长度（α），从而同步提升σ和S，打破传统热电折衷关系。

实验表明，使用2DPP-2CNTVT聚合物与N-DMBI掺杂剂在CB溶剂中制备的薄膜，其功率因子（PF=σS²）达到115 μW m⁻¹K⁻²，较传统方法（如邻二氯苯溶剂）提升20倍，热电优值（ZT）在室温下达到0.17，100°C时增至0.36。

图2.各向同性和各向异性系统的 KMC 建模。

图 3.MFDA的现象学模型。

实验验证：微观结构与性能关联

研究团队通过多种表征手段揭示了分子取向与性能的关系：

·掠入射广角X射线散射（GIWAXS）：显示边缘取向薄膜的（100）晶面反射强度显著增强，证实分子排列优化。

·原子力显微镜（AFM）与红外光谱联用（AFM-IR）：发现N-DMBI掺杂可减小聚合物畴尺寸，减少结构无序性。

·有机场效应晶体管（OFET）测试：边缘取向薄膜的载流子迁移率提升，验证了电荷传输能力的增强。

此外，该策略在p型聚合物（如P3HT）中同样适用，展现了广泛的适用性。

图 4.不同分子掺杂剂对 2DPP-2CNTVT微观结构的影响。

图5.组织化 2DPP-2CNTVT 的电荷传输和 TE 性能。

应用前景：废热回收与柔性电子

这项研究为高性能有机热电材料的开发提供了新范式，其优势包括：

·高功率输出：适用于低品位废热回收，如工业余热、可穿戴设备体温发电。

·绿色溶剂兼容性：使用氯苯等低毒性溶剂，符合可持续制造需求。

·柔性器件潜力：溶液加工特性适合大面积柔性电子器件制备。

通讯作者Derya Baran教授表示：“MFDA策略不仅适用于热电材料，还可拓展至有机场效应晶体管、太阳能电池等领域，为下一代有机电子器件性能优化开辟了新路径。”

来源：高分子科学前沿

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