熱電材料可以實現溫差和電能之間的直接轉換，是重要的能源材料之一 。作為新型熱電材料體系，有機熱電材料在柔性、低成本供電器件和自供電傳感器方面具有廣闊的應用前景（Natl. Sci. Rev. 2016, 3, 269. Nat. Commun. 2015, 6, 8356）。近年來，有機熱電材料研究開始起步並得到廣泛關注，關鍵性能指標不斷攀升，成為有機電子學中重要的前沿研究方向之一。儘管如此，有機熱電材料與器件的基本效應研究嚴重缺乏，限制了領域的快速發展。
塞貝克效應和帕爾貼效應是熱電轉換的兩大基本效應。基於熱電器件的塞貝克效應可以實現溫差發電，而基於帕爾貼效應則可以實現電致製冷，從而實現多種功能應用。目前，有機熱電材料與器件的功能研究集中於塞貝克效應。儘管人們預計有機熱電薄膜器件在電致製冷方面具有自身優勢，但是該類體系的帕爾貼效應的精確研究受限於高性能器件的構建和電致溫差的原位實時測量兩大難題，相關係統研究尚未見報道。
圖1 Poly(Ni-ett)薄膜在工作狀態下的帕爾貼效應溫度分佈
中國科學院化學研究所有機固體重點實驗室長期致力於有機熱電材料的研究，先後開發了一系列高性能N型有機熱電材料(Adv. Mater. 2012, 24，932; Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 10672; J. Am. Chem. Soc.2017, 139, 13013)，為該體系的功能研究奠定了基礎。
近期，在科技部國家重點研發計劃、中科院戰略先導研究計劃和國家自然科學基金委項目的支持下，科研人員針對有機熱電器件帕爾帖效應研究中面臨的熱效應複雜且相互干擾問題，結合懸浮器件的製備和原位真空表徵系統的搭建降低熱散失，利用高速/鎖相紅外技術實現帕爾貼效應與焦耳熱效應及熱傳導的有效分離，系統揭示了有機熱電薄膜器件中的帕爾貼效應並實驗驗證了有機熱電體系中的湯姆遜關係。更為重要的是，他們發現poly(Ni-ett)薄膜器件兩端可以建立超過40攝氏度的溫差，並且首次真正實現了有機熱電器件的電致製冷。
圖2 懸浮有機熱電器件的器件結構、工作狀態的熱效應與帕爾貼效應測試方法
此外，他們與北京師範大學、新加坡南洋理工大學和蘇州大學的科研人員密切合作，預測該類材料的超薄器件有望實現熱流密度超過500 W cm-2的大溫差電致製冷，在柔性固態製冷和定點化瞬態製冷等方面具有重要的應用前景。相關工作近日發表在Nat. Commun. (2018, 9, 3586)上。
論文鏈接
https://www.nature.com/articles/s41467-018-05999-4
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