侧链对D-A型共轭聚合物电子结构及热电性能影响的研究

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热电材料可以通过塞贝克效应将热能直接转换为电能。相比于无机热电材料,有机热电材料具有机械柔性、重量轻、无毒等优势,在较低温度下即可达到最优热电性能,在智能穿戴等领域有很好的发展前景。通过掺杂高迁移率窄带隙给受体(D-A)共轭聚合物是开发高性能有机热电材料的一种有效途径。P型聚合物材料掺杂时失去电子被氧化,高的最高占据轨道(HOMO)有利于提高掺杂效率,与掺杂剂良好的混溶性则为后续加工和进一步优化性能奠定基础。因此,本文以噻吩基异靛青(TIIG)为电子受体,通过给体单元上连接不同侧链来调控材料的电子结构,设计并合成不同系列D-A共轭聚合物,使用两种常见的掺杂剂分别对这些聚合物进行掺杂,优化其热电性能且探究侧链结构在其中的影响。本论文主要工作如下:(1)合成含有不同侧链的联噻吩结构并与TIIG利用施蒂勒(Stille)偶联进行交替共聚得到三个窄带隙D-A共轭聚合物,使用Fe Cl3和2,3,5,6-四氟-7,7,8,8-四氰二甲基对苯醌(F4TCNQ)分别对这些聚合物进行不同浓度掺杂并进行表征。结果表明,随着聚合物烷氧和醚氧侧链的引入,其HOMO能级逐渐上升,经过Fe Cl3掺杂后侧链含氧的两个聚合物电导率提升速率更快,并在更低的掺杂浓度下达到最优热电性能。F4TCNQ掺杂时含氧侧链的两个聚合物表现出与掺杂剂的优良共混性和更平整的表面形貌,醚氧侧链取代的聚合物PTIIG-BT2EGOMe在40%摩尔比F4TCNQ掺杂浓度下得到本研究中最优功率因数5.0μW m-1 K-2。(2)合成含有不同共轭长度侧链的苯并二噻吩(BDT)衍生物,与TIIG交替共聚得到两个新型窄带隙二维D-A共轭聚合物(PTIIG-BDT-TO及PTIIG-BDT-T-TO),随后同样用Fe Cl3和F4TCNQ对其分别掺杂并进行表征。尽管两个聚合物具有强烈的平面刚性结构,在很多溶剂中仍表现出良好的溶解性,经过12 m M浓度Fe Cl3掺杂后分别达到最优功率因数0.22和0.18μW m-1 K-2。
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