N型有機(jī)熱電:ZT>0.3的論證
【引言】
過去20年來,“聲子-玻璃-電子晶體”的概念引發(fā)了無機(jī)熱電材料取得大量進(jìn)展。與無機(jī)材料不同,有機(jī)熱電材料具有分子多樣性、機(jī)械性能靈活、易于制造等特點(diǎn),主要是“聲子玻璃”。然而,這些有機(jī)材料的熱電性能在很大程度上受到低分子有序度的限制,因此遠(yuǎn)不是“電子晶體”。
【成果介紹】
在這里,我們報道了一種分子摻雜的富勒烯衍生物,它的側(cè)鏈設(shè)計精細(xì),接近有機(jī)的“PGEC”熱電材料。利用Linseis薄膜分析儀測量了薄膜的熱導(dǎo)率。該熱電材料具有大于10 S cm−1的優(yōu)良導(dǎo)電性和小于0.1 Wm−1 K−1的超低熱導(dǎo)率,因此在所有已報道的單主體n型有機(jī)熱電材料中,最佳優(yōu)點(diǎn)系數(shù)ZT=0.34(在120°C下)。實(shí)現(xiàn)記錄性能的關(guān)鍵因素是使用“臂形”雙三甘醇型側(cè)鏈,這不僅提供了優(yōu)異的摻雜效率(約60%),而且在熱退火過程中誘導(dǎo)無序-有序轉(zhuǎn)變。本文說明了有機(jī)半導(dǎo)體作為熱電材料的巨大潛力。
【圖文導(dǎo)讀】
圖1:側(cè)鏈變化和熱退火效應(yīng)。a不同富勒烯衍生物(PTEG-1,PTEG-2,PPEG-1,F(xiàn)2A)和摻雜劑(n-DMBI)的化學(xué)結(jié)構(gòu);b摻雜濃度為8wt%n-DMBI的不同富勒烯衍生物的室溫電導(dǎo)率隨退火溫度的變化曲線。
圖2:薄膜樣品的熱響應(yīng)和穩(wěn)定性。
a原始PTEG-1、PTEG-2和F2A以及摻雜PTEG-2薄膜的變溫橢圓偏振掃描圖;
b不同摻雜富勒烯衍生物在150°溫度下歸一化電導(dǎo)率的演化。
圖3:PTEG-2薄膜的分子組裝。a、 b在(a)120°C和(b)150°C和(C,d)下退火的原始PTEG-2薄膜的2D-GIWAXS圖案,以及相應(yīng)的線切割和模擬散射線切割(在這兩種情況下,模擬線切割都以線性標(biāo)度繪制);分子動力學(xué)模擬原子解析的PTEG-2分子堆積的代表性快照;單位細(xì)胞以藍(lán)色突出顯示。
圖4:通過控制摻雜優(yōu)化熱電參數(shù)。室溫下?lián)诫s濃度對摻雜PTEG-2薄膜a電導(dǎo)率,b塞貝克系數(shù),c功率因數(shù)的影響。誤差條表示通過測量六個不同樣品的電導(dǎo)率、塞貝克系數(shù)和功率因數(shù)的平均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差。
圖5:與溫度有關(guān)的熱電參數(shù)。對于摻雜濃度為5wt%的PTEG-2薄膜,在不同工作溫度下的a導(dǎo)電性(紅星代表冷卻至25°C后的導(dǎo)電性),b塞貝克系數(shù)(藍(lán)色)和功率因數(shù)(紅色),c面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)和d優(yōu)值,ZT。誤差條(b、c)表示通過最佳擬合得到的塞貝克系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)誤差;誤差條(d)代表ZT的相應(yīng)計算偏差。
【結(jié)論】
本文將“聲子玻璃電子晶體”的概念應(yīng)用于n型有機(jī)熱電材料,并改變了富勒烯衍生物的側(cè)鏈,以實(shí)現(xiàn)電子晶體薄膜。我們發(fā)現(xiàn),具有*幾何結(jié)構(gòu)的“臂形”雙三甘醇型側(cè)鏈不僅能夠提供高效且熱穩(wěn)定的富勒烯衍生物的n摻雜,而且在一定溫度下的熱退火過程中可以誘導(dǎo)無序-有序轉(zhuǎn)變。因此,n-摻雜富勒烯衍生物轉(zhuǎn)化為接近“有機(jī)電子晶體”薄膜,其在所報告的單宿主有機(jī)TE材料中表現(xiàn)出*ZT=0.34(在120°C下)。這項(xiàng)工作是一項(xiàng)概念驗(yàn)證研究,如何將PGEC概念應(yīng)用于有機(jī)TE,并為高ZT熱電器件的“有機(jī)電子晶體”的分子設(shè)計提供參考。此外,具有超低κ和優(yōu)良σ的PTEG-2可用于與其他有前途的TE材料(如碳納米管和無機(jī)晶體)形成具有可調(diào)諧TE特性的復(fù)合材料。