福建物构所林悦、川大冯良文、国防科大陈晨ACS Mater Lett | 分子掺杂驱动的域电荷传输调制提高极性聚噻吩的热电性能

英文原题：Molecular Doping-Driven Modulation of Domain Charge Transport Elevates Thermoelectric Performance in Polar Polythiophene

通讯作者：林悦（中国科学院福建物质结构研究所）；冯良文（四川大学）；陈晨（国防科学技术大学）

作者：Kaiqing Lu, Chen Chen*, Jing-Liang Cheng, Ian E. Jacobs, Baiqiao Yue, Pochung Huang, Liang-Wen Feng*, Yue Lin*

共轭聚合物（CPs）由于在热电和生物传感器等领域的巨大潜力，一直是材料科学研究的前沿领域。然而，CPs的低电荷迁移率及其复杂的微观结构与电荷传输之间的关系，长期以来一直阻碍着其热电性能的提升。

近期，中国科学院福建物质结构研究所林悦、四川大学冯良文、国防科技大学陈晨组成的联合团队针对p(g₃2T-T)这一模型系统，采用离子交换掺杂技术，成功实现了域内和域间电荷传输的协同改善，获得了63 μW m^-1 K^-2的功率因子，标志着极性聚噻吩领域的重大进步。相关论文发表于ACS Materials Letters，第一作者为硕士研究生鲁凯晴。

图1. 掺杂机理及其对p(g₃2T-T)中结构-性能关系的影响。(a) 聚合物结构及其掺杂方法；(b) 离子交换掺杂机制；(c) 不同掺杂水平下薄膜的电性能；(d) 掺杂极性聚噻吩的功率因子。

作者进一步通过GIWAXS表征发现，适度掺杂能改善p(g₃2T-T)薄膜晶域内的结构有序性。然而，超过最佳掺杂阈值会引发剧烈的结构重排，使固态分子取向从边缘（edge-on）转变为面向（face-on），导致晶域内电荷迁移率下降，阻碍电荷传输。吸收光谱的研究进一步揭示电子结构演变过程，P1峰的蓝移证实了掺杂对域内结构的干扰。

图2. 不同掺杂浓度的p(g₃2T-T)薄膜的结构分析。(a) 2D GIWAXS图案；(b) GIWAXS线切割剖面，不同掺杂水平薄膜的面外（实线）和面内（虚线）方向；(c) 与π-π堆叠方向相关的相干长度和次结晶。

图3. p(g₃2T-T)薄膜的光谱学特征。(a) UV-vis-NIR光谱分析；(b) FTIR；(c) 高分辨率硫2p XPS光谱；(d)掺杂p(g₃2T-T)薄膜在不同掺杂水平下电导率、电荷载流子密度和迁移率的变化。

为了更好地理解电荷传输机制，作者引入了一种新型定量方法，通过加权迁移率导出的活化能W_γ来探测域间电荷传输效率。W_γ的减少表明，增加掺杂水平降低了域间能量势垒，划定了热电性能的最佳掺杂阈值。超过这一阈值后，过量掺杂进一步增强了非晶区的域间传输。

图4. 电荷运输特性的比较分析。(a) 塞贝克系数和电导率之间的关系；(b) 室温下输运系数 (σ_E0) 与电导率的变化；(c) 随温度变化的电导率阿伦尼乌斯图和 (d) 活化能 (E_a)；(e) p(g₃2T-T) 与温度相关的传输系数和 (f) 传输能垒 (W_γ)。

图5. p(g₃2T-T) 薄膜中电荷传输调制的比较分析。(a) p(g₃2T-T) 薄膜不同掺杂水平中微结构的转变；(b) 和 (c) 针对两个不同的活化能E_a和W_γ进行室温电导率比较。

此外，研究还重新评估了活化能E_a和W_γ的意义。E_a通常被视为聚合物对金属行为倾向的衡量标准，但结果显示，W_γ已成为一个更可靠的指标，较低的值暗示着向类金属电荷传输的重大转变。

这项研究表明，协同促进域内和域间电荷传输对于提升聚合物热电性能至关重要，并为理解共轭聚合物中的电荷传输机制提供了新的视角。

该研究的详细内容发表在ACS Materials Letters 上，欲了解该研究的更多信息，请访问原文链接。

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Molecular Doping-Driven Modulation of Domain Charge Transport Elevates Thermoelectric Performance in Polar Polythiophene

Kaiqing Lu, Chen Chen*, Jing-Liang Cheng, Ian E. Jacobs, Baiqiao Yue, Pochung Huang, Liang-Wen Feng*, Yue Lin*

ACS Materials Lett. 2024, 6, XXX, 4351–4359

https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.4c01056 

Published: August 21, 2024

© 2024 American Chemical Society

（本稿件来自ACS Publications）