【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】 共軛高分子具有柔性、輕質(zhì)、可溶液加工等優(yōu)勢，在有機(jī)電子、光伏、熱電和生物電子器件中具有重要應(yīng)用。隨著器件的集成度和功率密度增加，熱量成為影響器件性能、安全性和長期穩(wěn)定性的重要因素。
 

　　熱導(dǎo)率κ是衡量材料導(dǎo)熱性質(zhì)的關(guān)鍵參數(shù)。電子和光伏器件需要較高熱導(dǎo)率以避免熱量積累，熱電器件則需要較低熱導(dǎo)率維持溫差以提高能量轉(zhuǎn)換效率。因此，在優(yōu)化電荷傳輸性能的同時，理解并調(diào)控共軛高分子中的熱傳輸至關(guān)重要。然而，由于多級結(jié)構(gòu)復(fù)雜、缺乏傳輸模型、測量靈敏度要求高等原因，共軛高分子熱傳輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)-性質(zhì)關(guān)系仍不清晰。
 

　　針對這一問題，化學(xué)與分子工程學(xué)院裴堅教授團(tuán)隊通過改進(jìn)的懸浮膜3ω技術(shù)，系統(tǒng)測量了11種代表性共軛高分子薄膜的面內(nèi)熱導(dǎo)率。研究人員進(jìn)一步分析了熱導(dǎo)率與結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系。結(jié)果表面，11種共軛高分子的熱導(dǎo)率與lamellar層間堆積的次晶無序度(paracrystalline disorder)呈現(xiàn)強(qiáng)負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到−0.89；與其他結(jié)構(gòu)因素?zé)o顯著相關(guān)性。加工調(diào)控實驗進(jìn)一步驗證了這一關(guān)系：采用氯仿和鄰二氯苯加工的IIDDT薄膜具有近似的相對結(jié)晶度，但lamellar次晶無序度的不同導(dǎo)致了熱導(dǎo)率變化高達(dá)39%，證明了通過加工條件控制lamellar次晶無序度來調(diào)控薄膜熱傳輸性質(zhì)的可行性。
 

　　非平衡分子動力學(xué)(NEMD)模擬進(jìn)一步揭示了熱傳輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)-性質(zhì)關(guān)系的微觀來源。在P3HT和N2200兩種模型聚合物中的熱傳輸模擬都表明，熱量通過lamellar堆積的傳輸顯著快于π-π堆積方向，說明烷基側(cè)鏈的lamellar堆積是共軛高分子中更為主要的鏈間熱傳輸路徑(圖2)。
 

　　基于以上結(jié)果，研究人員提出了共軛高分子中的熱傳輸物理圖像：鏈內(nèi)熱傳輸雖然高效，但對宏觀熱導(dǎo)率的影響有限，因為不同的共軛高分子之間具有相似的共軛結(jié)構(gòu)、振動模式和主鏈剛性；鏈間熱傳輸是主要瓶頸，使得熱傳輸主要取決于固態(tài)微觀結(jié)構(gòu)，而非化學(xué)結(jié)構(gòu)主導(dǎo)；lamellar堆積是主要的鏈間傳輸路徑，薄膜次晶無序度主導(dǎo)熱傳輸。
 

　　總之，該研究揭示了共軛高分子中電荷與熱量不同的傳輸模式：電荷在高分子鏈間的傳輸需要依賴共軛主鏈之間的π軌道重疊，而熱傳輸可以通過烷基側(cè)鏈方向上的層間堆積和振動耦合完成(圖2)。這種電荷與熱量的鏈間傳輸路徑差異可能是突破共軛高分子電學(xué)-熱學(xué)性能解耦調(diào)控的關(guān)鍵。
 

　　該工作得到國家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金和科技部支持，以及上海同步輻射光源、北京同步輻射裝置、合肥光源和北京大學(xué)高性能計算平臺的支持。論文第一作者為北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院博士生劉乃夫，通訊作者為裴堅，該工作的合作者包括姚澤凡副研究員、王婕妤研究員、章笑研博士、吳昊天博士和博士生黃逸帆。
 

　　引用：化學(xué)與分子工程學(xué)院裴堅團(tuán)隊揭示共軛高分子層間堆積主導(dǎo)的熱傳輸機(jī)制-北京大學(xué)【引用時間：2026年9月15日】