上海硅酸盐所在柔性有机/无机热电复合材料研究中取得进展

最近，中国科学院上海硅酸盐研究所研究员史迅、陈立东、副研究员仇鹏飞、瞿三寅等与美国克莱姆森大学教授贺健合作，提出了一种维度匹配的热电复合材料设计新策略，即使用同样具有一维结构的无机半导体材料制备高性能PVDF/Ta4SiTe4有机/无机柔性热电复合薄膜，其原型器件在35.5K温差下归一化最大功率密度为目前已报道的柔性热电器件中的最高值。相关研究成果以Conformal organic–inorganic semiconductor composites for flexible thermoelectrics 为题 ，发表于Energy & Environmental Science上。

有机材料聚偏氟乙烯（PVDF）具有一维链状结构，是一种具有优良柔性的绝缘体。基于维度匹配的设计思路，该团队选择了同样具有一维结构的Ta4SiTe4无机材料与PVDF进行复合制备有机/无机柔性复合薄膜。通过化学气相输运反应，得到Ta位掺杂0.5% Mo的Ta4SiTe4一维晶须。然后以N,N-二甲基甲酰胺（DMF）作为分散剂，通过滴涂的方法得到PVDF/Ta4SiTe4复合薄膜。扫描电镜发现Ta4SiTe4晶须均匀分散于PVDF基体之中构成网络状结构。透射电镜表明Ta4SiTe4晶须与PVDF形成紧密结合的两相界面。热电性能表征发现PVDF/50 wt% Ta4SiTe4具有优良电输运性能，在220 K功率因子高达1060 μWm-1K-2。特别是，在相同的电导率下，PVDF/50 wt% Ta4SiTe4薄膜的泽贝克系数远高于基于碳纳米管或金属纳米线的有机/无机复合薄膜。Ta4SiTe4自身的半导体输运特性和一维结构共同产生了上述的优良电输运性能。

在实现优良电输运性能的同时，维度匹配的PVDF和Ta4SiTe4所形成的有机/无机复合薄膜也具有良好的柔性。在直径9 mm的曲面上反复弯曲5000次，PVDF/50 wt% Ta4SiTe4薄膜电阻没有明显变化。研究团队初步制备了包含4个PVDF/50 wt% Ta4SiTe4热电单偶的原型热电器件，在温差35.5K时，器件归一化最大功率密度达到0.13 Wm-1，是现有报道的柔性热电器件的最大值。

研究工作得到国家重点研发专项、国家自然科学基金、中科院青年创新促进会、上海市青年科技启明星项目等的资助和支持。

图a) PVDF/Ta4SiTe4柔性复合薄膜示意图。b) PVDF/Ta4SiTe4复合薄膜与已报道的一维有机-无机复合薄膜热电性能对比。c)PVDF/Ta4SiTe4基原型热电器件与已报道的柔性热电器件的归一化最大功率密度对比。