20世紀70年代，摻雜聚乙炔的科學發(fā)現(xiàn)顛覆了“塑料不能導電”的傳統(tǒng)認知，掀起了光電分子材料的研究熱潮，孕育了有機發(fā)光二極管電子產(chǎn)業(yè)，催生了有機光伏和有機場效應晶體管等前沿研究方向，并帶動了有機熱電領(lǐng)域的起步。其中，聚合物體系的熱電研究不但可以深化甚至改變?nèi)藗儗浳镔|(zhì)體系熱電轉(zhuǎn)換機制的認知，而且有望滿足物聯(lián)網(wǎng)與可穿戴電子對貼附式能源的迫切需求，具有重要的科學意義。然而，相對于已有的熱電材料體系，聚合物熱電材料長期面臨熱電優(yōu)值（ZT）低的瓶頸，無法滿足溫差發(fā)電與固態(tài)制冷應用的核心指標需求，直接制約了領(lǐng)域的快速發(fā)展。

中國科學院化學研究所朱道本、狄重安研究團隊與張德清課題組，聯(lián)合北京航空航天大學趙立東課題組以及國內(nèi)外的研究團隊，提出并構(gòu)建了聚合物多周期異質(zhì)結(jié)（PMHJ）熱電材料。該類型分子組裝體具有周期有序的納米結(jié)構(gòu)，其中兩種聚合物厚度均小于10納米，相鄰界面約為2個分子層且具有體相異質(zhì)特征。優(yōu)化后的PMHJ薄膜可以保持優(yōu)異的電荷輸運特性，并大幅抑制聲子/類聲子傳播，從而實現(xiàn)了聚合物熱電性能的大幅提升，為高性能塑料基熱電材料的研究和應用提供了全新路徑。相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然》（Nature）上。

理想熱電材料應具有高塞貝克系數(shù)、高電導率和低熱導率，滿足“聲子玻璃-電子晶體”模型?？茖W界普遍認為，聚合物具備聲子玻璃特征，從而具有本征低熱導率?；诖?，高性能有機熱電材料的現(xiàn)有主要研究路徑是通過分子創(chuàng)制、組裝和摻雜調(diào)控塞貝克系數(shù)、電導率及制約關(guān)系。盡管有研究通過熱導率表征評估了有機材料的熱電優(yōu)值，但缺乏熱輸運性質(zhì)的調(diào)控策略，相應體系的熱電優(yōu)值在過去十余年沒有顯著提升。該團隊利用PDPPSe-12和PBTTT兩種聚合物，結(jié)合分子交聯(lián)方法，構(gòu)筑了具有不同結(jié)構(gòu)特征的PMHJ薄膜，揭示了其熱導率的尺寸效應和界面漫反射效應。研究發(fā)現(xiàn)，當每種聚合物的厚度接近共軛骨架的“聲子”平均自由程時，界面散射明顯增強，薄膜的晶格熱導率降低70%以上，達到0.1 W m^-1?K^-1。同時，摻雜態(tài)（6,4,4）PMHJ薄膜展現(xiàn)出優(yōu)異的電輸運性質(zhì)，功率因子高達628 μW m^-1?K^-2，368 K下的熱電優(yōu)值為1.28，達到商品化材料的室溫區(qū)熱電性能水平，帶動塑料基熱電材料步入ZT>1.0時代。同時，PMHJ結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的普適性，且PMHJ加工方式與溶液法制備技術(shù)兼容，在柔性供能器件方面具有應用潛力。

上述成果打破了現(xiàn)有高性能聚合物熱電材料不依賴熱輸運調(diào)控的認知局限，為塑料基熱電材料領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展提供了新路徑。

研究工作得到國家自然科學基金委員會、中國科學院、北京市的資助，并獲得化學所懷柔研究中心的技術(shù)支持。

PMHJ結(jié)構(gòu)的設計思想與飛行時間二次離子質(zhì)譜表征結(jié)果