導電高分子作為柔性熱電材料在智能可穿戴領域有著廣泛的應用前景。將不同的導電高分子共混，可設計出具有本征柔性的熱電材料。然而，對于共混導電高分子如何獲得高熱電性能，其性能提升的機理尚不清晰，仍處于初級探索階段。明晰共混導電高分子內(nèi)的載流子輸運機理，對開發(fā)高熱電性能的共混高分子材料有著重要意義。
近期，東華大學張坤研究員課題組發(fā)現(xiàn)在聚乙撐二氧噻吩（PEDOT）基質(zhì)中加入FeCl3處理過的聚吡咯（PPy）納米線能有效提高有機薄膜的熱電性能。并結合各類表征手段和第一性原理模擬，論證了界面處能量相關的載流子散射（energy-dependentcarrier scattering）對于導電高分子共混薄膜性能提升有著重要意義，同時系統(tǒng)地闡明了性能提升背后的物理機制。相關工作以《導電聚合物納米線共混薄膜中能量相關的載流子散射對于共混物熱電性能提升的研究》（Observationof?Energy-Dependent CarrierScattering?in Conducting PolymerNanowires Blends for Enhanced Thermoelectric Performance）為題，發(fā)表在《ACS Applied Materials& Interfaces》。
這項工作以PEDOT納米線/PPy納米線共混導電高分子薄膜為研究對象。通過調(diào)控導電高分子納米線的電子結構，利用第一性原理計算及UPS表征手段揭示了納米線異質(zhì)界面處可產(chǎn)生能量勢壘，同時證實了異質(zhì)界面處并無摻雜效應（電荷轉(zhuǎn)移）。同時由第一性原理計算發(fā)現(xiàn)，在PPy和PEODT分子鏈的界面處，導電高分子PPy能帶結構中最高占據(jù)軌道（HOMO）的向上彎曲，導致了能量勢壘的產(chǎn)生。通過調(diào)控界面勢壘大小，可使得共混導電高分子薄膜的塞貝克系數(shù)和熱電功率因子分別提高20%和30%。由此可以確定此共混導電高分子的熱電性能提升是由界面勢壘導致的。
作者進一步利用Kang-Snyder輸運理論并結合熱電性能測試，發(fā)現(xiàn)PPy納米線的引入能夠增大能量相關的載流子散射系數(shù)s (energy-dependent scattering parameter)而并未改變能量不相關的輸運系數(shù)σE0(energy-independent transport parameter)，從而證明了能量相關的載流子散射(energy-dependent carrierscattering)效應的增強，從而嚴格闡釋了導電高分子納米線異質(zhì)界面處所產(chǎn)生的能量勢壘可有效提高共混導電高分子熱電性能。
該研究工作的主要意義在于較為深入全面地闡釋了全導電高分子基柔性熱電材料的一種熱電增強機制，為設計具有高熱電性能的本征柔性導電高分子材料提供了一定的理論支撐。本文的第一作者為東華大學紡織學院2017級博士生陳馨逸，新加坡A*Star的石文博士為共同作者，通訊作者為張坤研究員。本研究工作受國家自然科學基金、中國科協(xié)“青年人才托舉工程”、中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項基金、東華大學高層次人才專項基金等項目的經(jīng)費支持。
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