聚合物熱電材料憑借可溶液加工、本征柔性及低熱導等優(yōu)勢，在柔性可穿戴器件領域具有廣闊應用前景。然而，該類材料普遍存在本征遷移率低、摻雜過程中載流子濃度與遷移率難以協同提升等關鍵瓶頸，嚴重制約其熱電性能的進一步提升。因此，開發(fā)兼具高遷移率與高摻雜效率的新型聚合物熱電材料，已成為相關領域的研究熱點之一。

近日，中國科學院上海硅酸鹽研究所研究團隊從分子結構設計出發(fā)，在高性能聚合物熱電材料設計和合成方面取得進展。

研究團隊針對傳統(tǒng)隨機共聚物的設計策略易造成聚合物主鏈結構無序度上升、本征遷移率下降等問題，提出了“主鏈規(guī)整+極性側鏈隨機分布”的聚合物設計思路，即利用規(guī)整主鏈的有序堆積結構，提高材料本征遷移率，并通過調控極性側鏈含量優(yōu)化摻雜程度。研究發(fā)現，隨機共聚物PDPPg0.3-Se在載流子濃度達到1021cm-3的情況下，遷移率仍可保持在2.0cm2 V-1 s-1以上。得益于載流子濃度與遷移率的良好平衡，該聚合物功率因子可達361.1μW m-1 K-2，ZT值為0.46（330K）。為進一步評估材料的實際應用潛力，研究團隊以PDPPg0.3-Se為p型腿、PBFDO為n型腿，制備出具有折紙結構的面外型柔性熱電發(fā)電器件。該器件在9.8K和18.2K溫差下，歸一化最大功率密度分別達0.33μW cm-2 K-2和0.36μW cm-2 K-2，該性能在近室溫工作的全聚合物熱電器件中處于較高水平。

團隊進一步針對如何保持聚合物良好溶液加工性的同時，克服絕緣側鏈帶來的結構無序與電荷輸運阻礙這一關鍵難題，提出了酸誘導側鏈裂解與原位摻雜一體化策略，即在苯并雙噻二唑（BBT）聚合物中引入酸可裂解的硅烷側鏈，并利用BBT單元獨特的開殼雙自由基共振結構，誘導主鏈發(fā)生醌式化共振，從而降低摻雜能壘。研究團隊采用三氟甲磺酸溶液對聚合物薄膜進行處理，發(fā)現三氟甲磺酸能夠特異性斷裂硅—碳鍵，在實現側鏈完全移除的同時，可對主鏈實現原位摻雜。整個過程無需額外添加摻雜劑，即可一步完成 “側鏈裂解”與“高效摻雜”雙重功能。去除絕緣側鏈后，聚合物形成了致密有序的堆積結構，不僅提升了載流子輸運性能，還有效抑制了摻雜劑擴散，從而使材料的熱電性能達到同類體系領先水平?；谠摬呗灾苽涞谋∧ぴ诳諝馀c熱環(huán)境下均表現出優(yōu)異的穩(wěn)定性，且在100℃連續(xù)加熱4小時后，其功率因子幾乎保持不變。該策略為開發(fā)高性能、穩(wěn)定的熱電聚合物提供了新思路，并有望推廣至其他有機電子器件領域。

相關研究成果發(fā)表在《物質》（Matter）和《德國應用化學》（Angewandte Chemie International Edition）上。研究工作得到國家自然科學基金委員會和上海市的支持。