仪器新应用，中国科学家在高性能有机热电材料研究方面取得重要进展！

【科学背景】

随着互联网技术的飞速发展和智能设备的普及，能源回收和利用成为了一个重要的研究方向。尤其是如何有效地从废热中回收能量，以支持各种可穿戴设备和物联网应用，已经引起了广泛关注。在这一领域，共轭聚合物由于其柔性、低成本和可溶液加工性，被视为具有巨大潜力的热电材料。然而，尽管它们在理论上具有优越的性能，但实际应用中存在着低无量纲优值（ZT）这一主要问题。ZT值是衡量热电材料性能的关键指标，低ZT值严重制约了其实际应用。

为了提高聚合物的ZT值，科学家们尝试了多种方法，例如优化共轭骨架、设计功能侧链、调整凝聚结构以及工程化掺杂水平等。尽管这些方法在某些方面取得了一定进展，但当前的ZT值范围仍然仅为0.01至0.5，相较于商用块材（ZT298K = 0.8-1.0）和柔性无机材料（ZT = 0.6-1.1）显著低于预期。这一问题的存在使得热电塑料在实际应用中的前景受到限制。

在声子玻璃电子晶体模型的框架下，理想的热电材料需要平衡电导率（σ）和热导率（κ）之间的矛盾，即在电荷传输方面接近晶体极限，同时在声子散射方面达到无定形极限。当前，许多无机超晶格和二维层状结构的块晶体通过增强界面声子散射来满足这一要求，并实现了显著的ZT值。然而，由于聚合物缺乏有序晶格和溶液涂覆过程中可能发生的溶剂腐蚀，这些方法在聚合物中难以实现。

为了填补这一知识空白，中国科学院化学研究所朱道本/狄重安研究团队与张德清课题组、北京航空航天大学赵立东课题组及国内外研究团队合作在“Nature”期刊上发表了题为“Multi-heterojunctioned plastics with high thermoelectric figure of merit”的最新论文。研究人员提出了一种新型的聚合物多重异质结（PMHJ）结构，该结构具有周期性双异质结特征。每个周期由两种不同的聚合物层和夹层互穿界面组成。通过将单个聚合物和界面厚度分别控制在亚10纳米和亚5纳米，PMHJ薄膜不仅保留了显著的功率因子，还通过增强界面声子传播散射实现了低面内热导率。这些改进使得PMHJ薄膜在368 K时达到1.28的最大ZT值，超越了以往的研究成果。

【科学亮点】

（1）实验首次提出了聚合物多重异质结（PMHJ）的概念，利用具有周期性双异质结特征的聚合物结构来实现高ZT值热电塑料。这种结构由两种具有亚10纳米层状异质结和互穿体异质结界面的聚合物组成。

（2）实验通过精确调控聚合物层和界面厚度，显著增强了界面类声子散射，同时保持了高效的电荷传输。结果显示，PMHJ薄膜的面内热导率（κ∥）低至0.18 W m⁻¹ K⁻¹，功率因子（PF）高达628 µW m⁻¹ K⁻²，从而在368 K时实现了最大ZT值1.28。这一性能优于商用热电材料和现有的柔性热电候选材料。

（3）该研究还展示了PMHJ结构与大面积溶液涂覆技术的兼容性，为低成本可穿戴热电发电机的开发提供了新途径，预示着聚合物多重异质结有望在可穿戴热电技术中发挥重要作用。

【科学图文】

图1：PMHJ结构的概念及TOF-SIMS图像。

图2：PMHJ薄膜的重构界面。

图3：PMHJ薄膜的热传输性能和热电性能。

图4：溶液涂覆的大面积PMHJ薄膜和柔性发电器。

【科学结论】

本文通过提出和实现聚合物多重异质结（PMHJ）结构，研究突破了传统塑料热电材料的性能瓶颈。以往的塑料热电材料因其低无量纲优值（ZT）而限制了其应用前景，而本文中的PMHJ结构通过引入具有周期性双异质结特征的聚合物薄膜，在维持高效电荷传输的同时显著增强了界面声子散射。这种创新的结构设计使得热电性能得到了显著提升，实现了高达1.28的ZT值，超越了商用热电材料和现有柔性热电候选材料的性能。

其次，研究展示了PMHJ结构在降低热导率方面的潜力。通过优化聚合物和界面的厚度，实验实现了热导率降低60%以上，从而有效抑制了声子传播，增强了材料的热电性能。这一结果为未来设计高性能热电塑料材料提供了新的思路，即通过精确控制结构参数来优化材料的热电特性。

此外，本文还验证了PMHJ结构与大面积溶液涂覆技术的兼容性，为实现低成本、大面积的可穿戴热电器件提供了实际应用的可能性。这一发现不仅推动了热电塑料的应用发展，也为开发高效、经济的可穿戴热电技术奠定了基础。

原文详情：Wang, D., Ding, J., Ma, Y. et al. Multi-heterojunctioned plastics with high thermoelectric figure of merit. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07724-2