研究背景
随着物联网（IoT）技术的快速发展，如何有效地利用废热为各种可穿戴电子设备供电，成为了研究的热点。柔性热电发电机（TEGs）因其优异的附着力、无需活动部件及高可靠性，成为实现这一目标的理想选择。共轭聚合物由于其轻质、丰富的分子可用性、溶液加工性以及低杨氏模量，展现出巨大的应用潜力。然而，实际应用中，聚合物热电材料的低无量纲优值（ZT）严重限制了其性能和应用范围。热电材料的性能通常通过ZT值来衡量，其定义为材料的热电优值。ZT值的高低直接影响材料在实际应用中的效能。理想的热电材料应同时具备高电导率（σ）和低热导率（κ），即在电荷传输方面接近晶体极限，而在声子散射方面达到无定形极限。然而，目前的聚合物热电材料普遍存在ZT值低的问题，尽管科学界通过精细调节共轭骨架、设计功能侧链、操纵凝聚结构和工程化掺杂水平等多种方法进行尝试，但其ZT值仍从0.01到0.5不等，远低于商用块材（ZT298K = 0.8-1.0）和一些柔性无机候选材料（ZT = 0.6-1.1）。在声子玻璃电子晶体模型的框架下，解决电导率和热导率之间的矛盾是提高ZT值的关键。然而，这种方法在聚合物中应用受到挑战，因为它们缺乏有序的晶格结构和在溶液涂覆过程中可能导致的下层聚合物重新溶解（溶剂腐蚀），从而妨碍了理想结构的构建。因此，如何有效地抑制聚合物的热导率（κL）并提升其电荷传输性能，成为了当前的研究难题。 为此，中国科学院化学研究所朱道本/狄重安研究团队、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。他们提出了创新的解决方案：设计聚合物基的层级异质结纳米结构，借鉴超晶格框架的周期几何结构，并通过精细调节溶剂腐蚀创建夹层体异质结界面。这种聚合物多重异质结（PMHJ）结构通过在界面处增强声子散射来显著降低热导率，同时保持高效的电荷传输。作者在本研究中首次提出并实现了这种PMHJ结构，通过操控聚合物和界面的厚度，实现了在368K下高达1.28的ZT值。这一成果不仅超过了1.0的ZT值阈值，而且在近室温区域内的表现优于商用热电材料，展示了其在大面积、低成本可穿戴热电器件中的广泛应用前景。这项研究为塑料热电材料的未来发展奠定了基础，为实现高效、经济的可穿戴热电技术提供了新的路径。
研究亮点
1. 实验首次实现了聚合物多重异质结（PMHJ）结构的高-ZT值热电塑料 本文首次通过创建具有周期性双异质结特征的PMHJ结构来实现高ZT值热电塑料。每个周期由两个具有亚10纳米厚度的聚合物层和一个互穿的体异质结界面组成。这种结构显著增强了界面声子散射，同时保持了高效的电荷传输，从而实现了优异的热电性能。2. 实验通过优化聚合物层和界面厚度，显著提高了热电性能 通过将单个聚合物和界面的厚度控制在亚10纳米和亚5纳米，PMHJ薄膜不仅保留了显著的功率因子（628 µW m⁻¹ K⁻²），还实现了低面内热导率，达到0.18 W m⁻¹ K⁻¹。与单一聚合物相比，这种结构显著降低了热导率（降低超过60%），并提高了功率因子，最终在368 K时获得了高达1.28的最大ZT值。该结果超越了商用热电材料和现有的柔性热电候选材料，展示了PMHJ结构在近室温区域的优越性能。3. 实验验证了PMHJ结构与溶液涂覆技术的兼容性 研究还证明了PMHJ结构与溶液涂覆技术的兼容性，使得大面积塑料热电器件的制造成为可能。这一发现为实现低成本、可穿戴的热电技术铺平了道路，并推动了聚合物多重异质结在可穿戴热电技术中的应用前景。
图文解读
总结展望
本文通过提出并实现聚合物多重异质结（PMHJ）结构，展示了一种创新的设计思路，通过周期性双异质结特征和亚10纳米的层状异质结结构，大幅度提升了聚合物热电材料的性能。这一发现表明，传统的热电塑料低ZT值限制可以通过先进的结构设计得到有效突破，开创了利用纳米结构优化热电性能的新途径。其次，实验结果揭示了增强界面声子散射的有效性。PMHJ薄膜在368 K时实现了1.28的高ZT值，同时热导率降低了60%以上，功率因子显著提高。这说明通过精细调节界面结构，可以显著改善热电材料的性能，为材料设计提供了新的方向，尤其是在提升热电材料的热导率和电导率之间的平衡方面。更重要的是，本文验证了PMHJ结构与大面积溶液涂覆技术的兼容性，为实际应用中的大面积热电器件提供了可行的解决方案。这一结果不仅推动了低成本、可穿戴热电技术的发展，也为塑料热电材料的规模化生产奠定了基础。这一科学进展表明，结合结构创新与生产技术优化，可以在热电材料领域实现跨越式发展，为未来的可穿戴电子设备和能源回收系统提供了重要的技术支持。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
