Onderzoekers realiseren multi-heterojunctioned plastics met hoge thermo-elektrische prestatiefactor

Organische thermo-elektrische materialen zijn veelbelovend als flexibele energiebronnen voor het Internet of Things en draagbare elektronica. Hun relatief lage dimensieloze verdienstecijfer (ZT) vergeleken met traditionele materialen is echter een groot obstakel geweest, waardoor hun gebruik in thermo-elektrische energieopwekking en solid-state koeling beperkt is.

Prof. Di Chong’an van het Instituut voor Chemie van de Chinese Academie van Wetenschappen en Prof. Zhao Lidong van de Beihang Universiteit hebben samen met hun medewerkers een polymere multi-heterojunctie (PMHJ) structuur geïntroduceerd die een ZT bereikte van meer dan 1,0. De studie werd gepubliceerd in Natuur.

Ideale thermo-elektrische materialen zouden moeten voldoen aan het “phonon-glass electron-crystal”-model. Momenteel ligt de focus bij de ontwikkeling van hoogwaardige organische thermo-elektrische materialen primair op het verbeteren van de vermogensfactor. Ondanks pogingen om de thermo-elektrische efficiëntie te verbeteren door thermische geleidbaarheid te beoordelen, heeft het gebrek aan effectieve strategieën voor fononverstrooiing in zachte materiaalsystemen de afgelopen tien jaar aanzienlijke vooruitgang in het bereiken van een sprong in de ZT-waarde belemmerd.

In deze studie stelden de onderzoekers de PMHJ-structuur voor om thermische geleidbaarheid in organische systemen te manipuleren. Dit nieuwe ontwerp heeft een periodiek gerangschikte nanostructuur, waarbij elke polymeerlaag minder dan 10 nm dik is. De aangrenzende interfacelagen zijn ongeveer twee moleculaire lagen dik en vertonen bulkheterojunctie-eigenschappen.

Door de dikte van de polymeerlaag en de structurele eigenschappen van de grensvlakken nauwkeurig te controleren, bestudeerden de onderzoekers het grootte-effect en de diffuse verstrooiing van fonon/fononachtige thermische trillingen binnen de PMHJ-structuur.

Ze ontdekten dat naarmate de laagdikte de gemiddelde vrije weglengte van de fononen langs de geconjugeerde backbone-richting naderde, de grensvlakverstrooiing toenam, wat leidde tot een significante vermindering van de thermische geleidbaarheid van het rooster van de film met meer dan 70% tot 0,1 W m^-1 Ik^-1Bovendien ontdekten ze dat de gedoteerde (6,4,4) film uitstekende elektrische transporteigenschappen vertoonde, met een hoge vermogensfactor van 628 μW m^-1 Ik^-2 en een maximale ZT van 1,28, wat de huidige organische thermo-elektrische materialen ver overtreft.

Naast deze prestaties zijn PMHJ-films compatibel met grootschalige oplossingsverwerkingstechnologie. De thermo-elektrische geïntegreerde apparaten vertoonden een indrukwekkende genormaliseerde vermogensdichtheid van 1,12 μW cm^-2 Ik^-2wat hun potentieel voor gebruik in flexibele voedingcomponenten benadrukt.

Deze studie onderstreept het belang van nanostructuurengineering bij het overwinnen van de beperking van zwak interacterende kunststoffen vanwege lage ZT. Het biedt een nieuwe manier om vooruitgang te boeken in op kunststof gebaseerde thermo-elektrische materialen.