透明柔性高分子热电复合材料

热电材料的两端存在温差时会产生电压,这一现象可用于热—电转换、制冷和温度传感器。聚合物热电材料由于其低廉的成本、可溶液加工、具有柔韧性等优点,可应用于柔性电子产品和人工皮肤,因此近年来引起了科研人员的普遍关注。

材料的热电性能常用无量纲量热电优值(ZT值)来描述,其数值与电导率和塞贝克(Seebeck)系数成正比,与热导率成反比。因此,通过提高电导率和塞贝克系数以及降低热导率可有效提高ZT值。目前报道的聚合物热电材料的ZT值已经超过0.1,非常接近商业化无机材料的性能(ZT值在1.0左右),其应用前景光明而广阔。现阶段,除了努力提高ZT值外,人们还在努力进一步提高聚合物热电材料其他方面的性质,如降低生产成本、提高透明度、可加工性、机械性能和环境稳定性等非热电特性方面的性质。将高性能的共轭高分子与廉价的通用高分子如聚苯乙烯等聚烯烃进行复合将是实现这一目的有效途径。尽管如此,通用高分子材料本身属于绝缘体材料,其导电能力和热电性能都很弱,简单的将绝缘聚合物共混到半导体热电材料中往往严重降低后者的热电性能。因此,如何优化形态提高这类共混材料的热电性质是国际上备受关注的研究方向。

中国科学院长春应用化学研究所杨小牛研究员带领的课题组在前期研究中发现,具有优化形态的半导体/绝缘聚合物共混物比纯半导体聚合物具有更高的电导率,该成果引起国际上其他课题组的对该领域的跟进研究。最近,他们通过对这类高分子复合材料的形态设计,同时获得了比纯半导体聚合物材料更高的电导率和更低热导率的半导体/绝缘聚合物复合材料。研究发现共混绝缘体后半导体材料的热电Seebeck系数并没有降低。利用具有互穿网络形态的共混物,通过协同优化电导率、热导率和Seebeck系数,他们将聚噻吩热电高分子材料的ZT值提高了一个数量级左右,具有广阔的应用前景。他们的实验结果表明,此类复合材料具有很好的柔韧性和灵敏的温度响应性。

该工作获得国家自然科学基金委、科技部以及中国科学院等机构的研究资助。