有機聚合物熱電材料是一類新興的可實現(xiàn)熱與電直接轉(zhuǎn)換的清潔能源材料，這類材料可溶液加工、質(zhì)輕價廉、具有優(yōu)異的柔韌性，在可穿戴電子器件領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價值。與無機熱電材料相比，聚合物熱電材料種類匱乏、熱電轉(zhuǎn)換性能低，主要原因是缺乏對分子結(jié)構(gòu)與熱電性能關(guān)系的深入認識?；瘜W(xué)摻雜是提高聚合物導(dǎo)電能力、調(diào)控其熱電性能的主要手段，目前聚合物半導(dǎo)體材料摻雜效率低，且高濃度摻雜容易破壞聚合物自身堆積從而顯著降低載流子遷移率，不僅不能獲得高電導(dǎo)同時降低了澤貝克系數(shù)，而且限制熱電器件性能的提升。

近日，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所副研究員李慧和研究員陳立東利用功能基元隨機共聚策略，將給-受體型構(gòu)筑單元和聯(lián)噻吩單元通過Stille偶聯(lián)反應(yīng)共聚，獲得一系列新型導(dǎo)電高分子，實現(xiàn)摻雜效率和遷移率的協(xié)同優(yōu)化，為高性能聚合物熱電材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供新方案。相關(guān)研究成果以Synergistically Improved Molecular Doping and Carrie Mobility by Copolymerization of Donor-Acceptor and Donor-Donor Building Blocks for Thermoelectric Application為題，發(fā)表在Advanced Functional Materials上，論文被選為當期back cover。

這類新材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)具有以下特點：（1）利用給-受體單元之間靜電相互作用增強聚合物鏈之間緊密堆積。（2）烷氧基修飾的聯(lián)噻吩給體單元提高聚合物的摻雜效率。（3）利用隨機共聚方法使聚合物主鏈具有不規(guī)整性，有利于提高澤貝克系數(shù)。相較于常規(guī)的聚噻吩類半導(dǎo)體本征遷移率低、高濃度摻雜容易導(dǎo)致薄膜脆性和給-受體交替型聚合物半導(dǎo)體較難摻雜、并且在高濃度摻雜時遷移率顯著下降，通過功能基元共聚策略可以結(jié)合不同聚合單元的優(yōu)勢，從而保證聚合物良好結(jié)晶性的前提下獲得高摻雜效率，使得新型聚合物半導(dǎo)體在較高濃度摻雜時載流子遷移率依然保持在1 cm² V^-1 s^-1以上，且載流子濃度可達到10^20~10²¹ cm^-3，最終獲得高電導(dǎo)率的柔性薄膜。此外，由于隨機共聚可以降低聚合物主鏈的規(guī)整度，使得新型聚合物的澤貝克系數(shù)高于全噻吩聚合物，最終功率因子高于110 μW K^-2 m^-1，證明功能基元的隨機共聚是制備新型高性能熱電材料的有效策略。

研究工作得到國家重大研究計劃、國家自然科學(xué)基金、上海市揚帆計劃等項目的支持。李慧為論文第一作者和通訊作者，陳立東為論文共同通訊作者。

經(jīng)典的聚噻吩類（上）、給-受體交替型聚合物（中）以及研究中設(shè)計的新型聚合物（下）化學(xué)摻雜特征和熱電參數(shù)關(guān)系

霍爾遷移率和載流子濃度隨摻雜濃度的變化趨勢以及聚合物熱電性能