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  有機聚合物熱電材料是一類新興的可以實現(xiàn)熱與電直接轉(zhuǎn)換的清潔能源材料，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。化學(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，而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)同時伴隨著澤貝克系數(shù)的減小，限制了器件性能的提升。因此，開發(fā)摻雜效率高并且能夠保持高遷移率的新型導(dǎo)電高分子體系對于提升聚合物半導(dǎo)體熱電性能具有重要意義。

  經(jīng)典的聚噻吩類材料容易被摻雜，可以獲得高電導(dǎo)，但是這類材料本征遷移率低，而且Seebeck系數(shù)很低 (10~20 μV K^-1), 最終功率因子不高（圖1）；另一類給-受體交替型聚合物通常表現(xiàn)出良好的載流子遷移率，但由于其電離能較大，導(dǎo)致化學(xué)摻雜效率低下，較難獲得高電導(dǎo)。近日，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所李慧副研究員和陳立東研究員利用功能基元隨機共聚策略，巧妙地將給-受體型構(gòu)筑單元和聯(lián)噻吩單元進行組合，獲得一系列新型導(dǎo)電高分子，成功地實現(xiàn)了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)計提供了重要的參考依據(jù)。

  這類新材料結(jié)構(gòu)特點是：（1）利用給-受體單元之間靜電相互作用增強聚合物鏈之間堆積緊密；（2）烷氧基修飾的聯(lián)噻吩給體單元可以提高聚合物和摻雜劑之間的電荷轉(zhuǎn)移。（3）隨機共聚增大聚合物主鏈的不規(guī)整性，有利于提高澤貝克系數(shù)。

圖1. 經(jīng)典的聚噻吩類（上）、給-受體交替型聚合物（中）以及本工作中設(shè)計的新型聚合物（下）。

  新型的共聚物通過Stille偶聯(lián)反應(yīng)獲得，制備過程簡單并且聚合物主鏈組成可調(diào)控（圖2）。

圖2. 聚合物的合成和化學(xué)結(jié)構(gòu)

圖3. 三類聚合物霍爾遷移率和載流子濃度隨摻雜濃度的變化趨勢(a, b, c)。電導(dǎo)率、澤貝克系數(shù)和功率因子隨載流子濃度的變化趨勢(d, e, f)。

  相較于給-受體交替型聚合物半導(dǎo)體在高濃度摻雜時遷移率顯著下降和聚噻吩類半導(dǎo)體本征遷移率低的特點，通過功能基元共聚策略制備的新型聚合物半導(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（圖3），并且載流子濃度達到10²⁰~10²¹ cm^-3，最終可以獲得高電導(dǎo)率（> 350 S cm^-1）。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。

  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)表在國際著名學(xué)術(shù)期刊Advanced Functional Materials上，并且被選為當(dāng)期back cover。中科院上海硅酸鹽研究所李慧副研究員為第一作者和通訊作者，陳立東研究員為共同通訊作者。該研究得到國家自然科學(xué)基金和上海市揚帆計劃的支持。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202070270