随着可穿戴电子设备和贴附式物联网等新兴产业的迅猛发展，柔性能源和便携式制冷的技术需求日益迫切。柔性热电器件可以利用人体或环境中的热能发电，还可以逆向实现薄膜制冷，是满足上述需求的关键技术之一。有机热电材料具有本征柔性和可溶液加工等优势，是柔性热电材料的重要体系，但长期面临性能低和加工技术复杂双重制约。利用化学原理协同调控短程有序分子组装体的电、热输运性能，有望克服上述挑战，推动有机热电材料走向实用化。

在国家自然科学基金委、中国科学院和北京市的支持下，化学研究所有机固体实验室朱道本/狄重安研究团队与张德清课题组等合作，提出并构建了不规则多级孔热电聚合物（IHP-TEP）材料。通过发展聚合物的相分离临界调控方法，IHP-TEP薄膜呈现“多孔无序-狭道有序”的结构特征，即孔结构展现亚10纳米至微米级的多尺度无序分布，而孔间区域则呈现有序分子组装特征。该结构大幅抑制热振动传播，同时显著提升载流子迁移率，带动薄膜热电性能的跃升。

多级孔热电聚合物材料的设计思想与表征结果

“声子玻璃-电子晶体”是热电材料的理想模型，对材料的无序性和有序性提出矛盾性需求。此前，该团队提出多周期异质组装理念，通过在相对有序的聚集体中引入无序异质界面，实现了热电性能的大幅提升。但是，这一理念无法协同优化多种热电参数，难以逼近分子材料的本征性能上限。研究团队提出“无序中创造有序”的新思路，发展“无序孔增强声子散射”与“限域增强分子有序组装”的双重调控机制，利用PDPPSe-12和PS两种聚合物的相分离，构筑了具有不同孔结构特征的薄膜。研究发现，该多孔结构展现声子-边界散射、声子-声子相互作用与尺寸效应等多重声子散射特征，热导率可降低72%。同时，相分离过程中的限域效应增强了聚合物的有序组装，载流子迁移率最高可提升52%。优化薄膜的功率因子最高达772 μW·m⁻¹·K⁻²，热导率最低为0.16 W·m⁻¹·K⁻¹，在343 K时最高ZT值达到1.64，实现了聚合物热电材料性能的新跨越。此外，该结构薄膜可利用喷涂技术实现大面积制备，在低成本柔性发电与制冷器件等方面具有重要的应用潜力。

上述研究建立了聚合物热电材料电荷输运与声子散射解耦调控的新思路，为带动热电塑料及其柔性热电器件的持续突破提供了新路径。相关研究成果发表于 Science期刊上。该研究得到了中国科学院化学研究所怀柔研究中心的技术支撑。

论文信息：

DOI: 10.1126/science.adx9237