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近日，香港中文大學（深圳）理工學院的鄭慶彬教授聯合深圳大學的陳光明教授團隊在《Small》發表題為 “Soft Organic Thermoelectric Materials: Principles, Current State of the Art and Applications” 的文章。

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01 Small介紹

Small是材料科學國際頂級期刊，是一本關注在納米與微觀層面上的材料與物質性質研究的期刊，期刊內容覆蓋了從物理科學到生命科學、醫學、工程等幾乎所有的學科領域。2020年期刊影響因子為13.281，JCR分區Q1。

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02 文章要點

文章中圖1:有機熱電材料單體、無機熱電填料及熱電材料的新興應用

由于對廢熱利用的巨大需求，人們對熱電材料的開發產生了巨大的興趣。熱電材料可以將廢熱有效地轉化為電能，從而實現以低成本獲取能源。與有毒、昂貴、重而脆的無機熱電材料相比，有機熱電材料由于其高靈活性、無毒、成本效益低和在各個領域的廣闊應用前景，越來越受到人們的關注。通過構建和優化獨特的傳輸路徑和宏觀幾何形狀，有機熱電材料正在接近無機熱電材料的轉化效率。本綜述概述了有關熱電效率參數相互依賴與解耦原理的最新進展以及高性能有機熱電材料的最新成果，討論了熱電器件的研究進展，介紹了熱電器件在能源領域的應用。

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03 綜述內容

有機熱電發電是最近發展起來的新興科技，可用于可穿戴電子和能量收集。盡管到目前為止，傳統的無機化合物表現出更好的熱電性能，但開發柔性高效有機熱電材料的熱情從未消退。此外，無機熱電材料的自身缺陷也阻礙了其在近期先進電子器件中的商業應用。與之相對的是，由于有機熱電材料具有優異的可彎曲柔韌性、低毒、低成本等特性使其具有傳統無機熱電材料目前無法實現的應用。近年來，隨著內部結構設計的優化，通過分子形態設計、摻雜和引入高性能無機熱電粒子，同時提高電導率并允許可調載流子濃度，有機熱電材料在室溫下的性能逐漸接近無機化合物。

文章中圖5. 共軛主鏈的結構對熱電性能影響

本綜述將有機熱電材料分為三類: 以有機半導體分子為主的有機單組分熱電材料、有機復合熱電材料和有機離子凝膠基熱電材料。

有機半導體，特別是共軛有機聚合物，已經被廣泛研究。由于單組分材料獨特的分子結構，分子設計和摻雜被廣泛應用于提高其熱電性能。有機單組分熱電材料在室溫下的最高功率因數通常低于200μWm-1K-2，遠低于無機化合物，因此需要進行更多的努力去了解摻雜有機薄膜對電導率的形態依賴性，從而進一步闡明摻雜劑在制備高性能有機熱電材料的結構-性能關系中的作用。與有機單組分熱電材料相比，有機雜化或復合材料通過利用有機聚合物分子與無機填料之間的界面特性，獲得了比單個組分更高的熱電性能，成為更有潛力的熱電材料。考慮到導電聚合物本身導熱系數低，無機熱電粒子的導熱系數相對較高，利用各組分的優點，制備無機熱電顆粒/有機雜化材料，實現熱導率和電導率的協同優化。單組分有機半導體和復合熱電材料雖然具有可調節的導電和導熱參數，但本征塞貝克系數數值遠小于1mv·K-1。為了尋找有潛力和前景的替代品，柔性準固態離子凝膠作為一種新型的高性能熱電材料被開發出來，它具有環境友好、塞貝克系數大的特點。但離子導體本身的離子導電性較低，限制了其熱電性能指標，因而在熱電轉換方面還沒有得到廣泛的研究。熱電器件因其將熱差轉化為能量并實現無振動制冷的前景而受到廣泛關注。這些特點推動了有機熱電材料在遠程電源、溫度傳感器、汽車、控制設備、凝露、柔性穿戴設備等方面的應用。通過塞貝克效應將余熱轉化為電能的熱電發電機，在可穿戴設備和工業應用的發展中越來越重要。集成熱電模塊是由兩個熱電支路組成的完整電路:一個帶正電孔的p型支路和一個帶負電子的n型支路。當材料兩端施加一個溫差時，電流就會產生并在電路中流動。盡管熱電發電機的研究已成為熱點，但如何設計出可靠、高效的熱電發電機仍然是一個巨大的挑戰。

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04??綜述討論

本文介紹了近年來具有代表性的典型有機熱電材料的前驅體。本綜述總結的研究成果在制造高性能熱電材料方面具有前所未有的潛力，可以與傳統的無機材料相匹敵。單組分熱電材料的研究工作主要集中在優化摻雜和調節分子結構有序上。復合熱電材料主要研究集中在雜化材料的制備工藝和聚合物/填料界面，包括界面載流子輸運和能量過濾效應。離子凝膠集中于提高其離子電導率的同時降低對塞貝克系數的影響。盡管已經取得了實質性的進展，但有機熱電材料和器件的發展仍處于起步階段。成熟的商用器件仍處于開發階段，面臨著不可預見的挑戰，尤其宏觀制備技術、非晶聚合物中的微觀載流子輸運和雜化材料中的載流子界面輸運等。ZT效率大幅度提高的瓶頸在于涉及電子和聲子輸運的物理因素之間的更強的相互依賴性。深入了解各種類型有機熱電材料的結構-性能關系是非常重要的。對于熱電發電機來說，它們面臨著降低設備與熱源接觸熱阻的挑戰。今后的工作應集中在載流子離域、界面工程和熱電發電機與熱源接觸熱阻匹配等方面。就未來的應用而言，它應該向可穿戴應用、遠程電源、溫度傳感器、汽車、控制設備以及冷凝水等柔性產品發展。

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05 作者簡介

鄭慶彬教授2011年博士畢業于香港科技大學機械及航空航天學系，2019年加入香港中文大學（深圳）理工學院擔任助理教授并入選國家海外高層次青年人才項目。鄭教授曾任德國德累斯頓萊布尼茨高分子研究所“洪堡學者”及香港科技大學機械及航空航天學系研究助理教授，曾獲德國“洪堡學者”及香港科技大學高等研究院“青年學人”等榮譽并獨立主持國家自然科學基金，德國洪堡基金，香港研究資助局優配研究金等項目。鄭教授長期從事納米碳材料與集成器件的先進制造加工及其在機械、電子、航空航天、醫學等領域的應用，如多功能復合材料、柔性顯示、柔性傳感和柔性電磁屏蔽等，取得了一系列重要研究成果，已在Progress in Materials Science, Materials Today, Advanced Functional Materials, Small, ACS Nano, Materials Horizons, Nanoscale Horizon, Nano-Micro Letters, Carbon等本領域頂級期刊發表文章70余篇，論文總計被引用5000余次，H-index為38。

張銀行博士2020年博士畢業于韓國仁荷大學化學學院，2020年加入香港中文大學（深圳）理工學院鄭慶彬教授團隊擔任博士后，主要研究方向為導熱材料、熱電復合材料及電熱膜等。已在Advanced Functional Materials, Small, Carbon, Chemical Engineering Journal, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, Composites Part B: Engineering 等復合材料領域TOP期刊發表論文二十余篇，H-index為20。