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热电材料具有能将热能和电能相互转化的功能。与无机热电材料近十年来蓬勃发展的现状相比,有机热电材料的研究并未引起多少关注,有限的研究报道显示有机材料的热电性能远远低于无机热电材料。但随着近年来有机半导体材料在有机发光二极管、有机太阳能电池以及有机场效应晶体管应用领域研究的兴起,大量高性能的新型有机半导体分子相继出现,其载流子迁移率已经超越了无定型硅。这些研究进展为探索有机半导体材料的热电性能提供了新的思考,相关研究正逐渐增加。据此,本论文对有机导电材料的热电性能开展了探索研究,以期回答有机材料能否成为一类新型的高性能热电材料这一科学问题。
本文的主要工作包括:
1.导电聚合物可以通过改变掺杂度调控其电导率,但电导率的升高往往会引起Seebeck系数降低,导致热电性能降低。为提高其热电性能必须寻找新的思路。研究表明形成纳米结构将对导电聚合物的电荷输运性质产生显著影响,因此,我们合成了具有纳米管状结构的聚苯胺,并研究了它们的热电性质。相比于具有相同掺杂度但没有纳米结构的聚苯胺,纳米管结构的形成对其热电性能产生了“三效合一”的效应:Seebeck系数、电导率升高,而热导率降低,这些变化均有利于提高材料的热电效率。
比较相似结构的聚苯胺纳米管样品,发现不同掺杂度以及纳米管长度会对聚苯胺的热电性能产生影响:掺杂度提高可以使电导率增大而Seebeck系数降低;纳米管长度的提升,有利于提高聚苯胺的热电效率。
为探索提高导电聚合物热电性能的途径,我们还制备了聚苯胺-多壁碳纳米管复合物,发现得益于多壁碳纳米管的高电导率,复合材料的电导率显著提高。虽然体系的Seebeck系数有所降低,但样品的功率因子得到提升,说明这种复合是提高聚合物热电性能的另一个途径。
2.研究了基于乙烯四硫醇(ett)的金属配位聚合物poly[Ax(Ni-ett)](A=Na,K,Ni)的热电性质,它们具有理想的电导率、Seebeck系数以及较低的热导率。poly[Nax(Ni-ett)]和poly[Kx(Ni-ett)]具有较高的热电优值,其中poly[Kx(Ni-ett)]在400 K附近时的热电优值达到0.2,这是目前n型有机热电材料的最高值。采用X-射线吸收光谱,X-射线光电子能谱等方法确证了该聚合物的主链结构和并研究了镍的配位环境。
利用poly[Nax(Ni-ett)]和ett与铜离子形成的类似聚合物poly[Cux(Cu-ett)]构筑了完全基于有机热电材料的热电器件并系统研究了器件的性能。在工作温差为82 K的情况下,器件的输出电压、短路电流和单位面积输出功率分别达到了0.26V、10.1 mA和2.8μW cm-2,这是目前报道过的有机热电器件的最高值。该器件也具备良好的工作稳定性。同时,单组p-n器件展现了一定的制冷能力。