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武汉理工大学赵文俞&王学文:超快激光诱导高导电PEDOT:PSS柔性热电薄膜

本文来源于Energy & Environmental Materials,欢迎浏览!


近日,武汉理工大学赵文俞教授&王学文教授在Energy & Environmental Materials上发表题为:“Ultrafast Laser-Induced Excellent Thermoelectric Performance of PEDOT: PSS Films”的研究型论文。


亮点

1. 建立了一种绿色安全、高效简单地制备无掺杂柔性热电薄膜的飞秒光制造新方法。

2. 发现飞秒激光表面辐照可显著降低载流子跳跃活化能,并诱发PEDOT氧化和分子结构转变。

3. 高频超短脉冲产生的瞬时应力波可有效缩小共轭平面间距,多脉冲热累积效应可建立非平衡温度场可去除PEDOT中PSS相,最终使PEDOT:PSS薄膜电导率提升三个数量级。

4. 基于选择性激光退火技术制造出了PEDOT:PSS薄膜热电器件。



研究背景

PEDOT:PSS作为一种有机导电聚合物,因其具有导热系数低、机械柔韧性好、毒性低等特点,近年来成为热电材料的研究热点之一。然而,由其商业水分散体制备的 PEDOT: PSS 膜通常导电率很低,因此不能直接用于热电应用。为了提高PEDOT:PSS热电性能,常用的方法是添加有机溶剂、溶剂后处理和连续处理。在这些方法中,不可避免地会使用或产生有害化学物质。作为一种无污染的技术,辐射处理已被用于改变聚合物的结构和形态。飞秒激光脉冲辐照可以提供极高的峰值功率,并将热效应局部化到薄膜上,是一种通用的微纳制造技术。在本文中,展示了一种基于超快脉冲加热和淬火的新型非平衡退火技术。该方法制备的PEDOT:PSS热电薄膜的功率因数达到19.0 μW·m-1·K-2。这项工作为传统的聚合物热电材料化学加工提供了一种简便有效的替代方法。


文章简读

作者利用滴涂法在PET基板上制备出厚度5μm的PEDOT:PSS薄膜,采用1030nm飞秒激光振镜加工系统对其表面进行辐照退火处理,探究了脉冲能量密度对薄膜电导率的影响。在能量密度为3.42 mJ cm-2时,薄膜电导率由原来的1.2 S/cm提高到最高值803.1 S/cm ,增长接近3个数量级,对应功率因子提高到19.0 μW·m-1·K-2,提升203倍。通过Mott模型计算得出飞秒激光把载流子跳跃活化能从533.57meV降低至4.25 meV。通过UV-vis、Raman、FTIR光谱表征,发现超快激光能诱导PEDOT氧化水平增加,促进导电分子发生苯——醌结构转变,引起PEDOT链从线圈到线性或扩展线圈构象的转变,分子链有序性增加。高频短脉冲在聚合物表面定域热累积导致了超高冲击压强,使(010)方向的π-π共轭平面间距缩小,同时聚合物结晶度增加,促进高效载流子传输网络构建。飞秒脉冲在PEDOT:PSS表面建立非平衡温度场,通过红外测温仪和XPS能谱测定,合适的激光能量密度下,可促进绝缘PSS从聚合物表面去除与相分离,而不损伤PEDOT。


图文赏析

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图1.飞秒激光脉冲辐照处理增强PEDOT:PSS薄膜电导率机理示意图。


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图2.不同激光能量密度激光退火后PEDOT:PSS薄膜的热电性能:(a)电导率,(b)塞贝克系数,(c)功率因子,(d-f)激光退火前后PEDOT:PSS薄膜热电性能随温度变化。


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图3.(a)原始和飞秒激光处理PEDOT:PSS薄膜的UV-Vis吸收光谱,(b)不同状态PEDOT分子的电子结构演变,(c)原始和飞秒激光处理PEDOT:PSS薄膜的拉曼光谱,(d) Cα= Cβ对称伸缩峰的位移和半峰全宽,(e) PEDOT:PSS分子结构,(f)原始和飞秒激光处理PEDOT:PSS薄膜的XRD图谱,(g) PEDOT分子共轭堆叠变化示意图。


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图4.(a)红外热成像仪测得PEDOT:PSS薄膜在不同激光能量密度下的光斑中心温度,(插图标尺:200 μm), (b) PEDOT:PSS热重分析的TG和DTG曲线,(c-f) S元素XPS图谱,(g)飞秒激光辐照前后PSS相对于PEDOT的表面组成变化,(h)S元素结合能的变化。


文章信息

Xuewen Wang*, Yuzhe Feng, Kaili Sun, Nianyao Chai, Bo Mai, Sheng Li, Xiangyu Chen, Wenyu Zhao*, Qingjie Zhang. Ultrafast Laser-Induced Excellent Thermoelectric Performance of PEDOT: PSS Films. Energy Environ. Mater. 2023.  e12650 DOI: 10.1002/eem2.12650

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作者简介

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王学文,武汉理工大学材料科学与工程国际化示范学院/材料与微电子学院教授、博士生导师,澳大利亚斯文本科技大学博士、博士后,湖北省百人计划入选者,中国机械工程学会极端制造分会委员,澳大利亚/新西兰标准委员会纳米技术分会委员,广东省激光行业协会副秘书长,武汉理工大学先进材料与器件飞秒光制造中心副主任,佛山仙湖实验室能源材料激光制备技术实验室负责人,致力于材料与飞秒激光作用过程超快探测与调控和先进改性与成型技术方法研究,主持国家重点研发计划课题等国家与省级重大科研项目5项,在Natl. Sci. Rev.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Energy Environ. Mater.、Chem. Eng. J.、J. Mater. Sci. Technol.、Int. J. Extreme Manuf.、Appl. Phys. Lett.、Nanophotonics、Sci. China Mater.等国际权威学术期刊上发表论文40余篇,撰写中英文专著2部,申请发明专利20余件。

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赵文俞,武汉理工大学二级教授,材料学科首席教授,国务院政府特殊津贴专家,中组部“万人计划”科技创新领军人才,科技部创新人才推进计划重点领域创新团队负责人,教育部跨世纪优秀人才,中国材料材料学会热电材料及应用分会副理事长,兼佛山仙湖实验室能源材料研究与测试中心主任。长期从事新能源材料测试分析、热电磁能源转换材料与器件、红外辐射散热材料、磁性材料、稀土功能材料、热界面材料,以及基于高效热电磁能源转换原理的全固态制冷、双向控温、高效散热等热管理技术研究工作。发现多局域效应共存在原子-分子尺度上协同调控电热输运性能的物理新机制,建立了磁性纳米粒子在纳米尺度上协同调控电热输运性能的新方法,开创了高效热电磁能源转新材料及其变革性技术的新领域。主持国家自然科学基金委重点项目、科技部重点研发计划课题、省级重大科研项目等30余项,在Nature、Nature Nanotechnol.、Nature Commun.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Energy Environ. Sci.、Sci. Bull.、Sci. China Mater.等国际权威学术期刊上发表论文180余篇,申请和授权发明专利30余件。获得2022年度湖北省自然科学一等奖。


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《能源与环境材料(英文)》(Energy & Environmental Materials)创刊于2018年,是由郑州大学和Wiley出版集团共同主办的国内外公开发行的英文期刊,主要报道能源捕获、转换、储存和传输材料以及洁净环境材料领域的高水平研究成果。EEM为材料、化学、物理、医学及工程等多学科及交叉学科的研究者提供交流平台,激发新火花、提出新概念、发展新技术、推进新政策,共同致力于清洁、环境友好的能源材料研发,促进人类社会可持续健康发展。期刊2022年度影响因子为15,JCI指数1.58,5年影响因子16.5,2022年度CiteScore为20.5,SNIP指标为2.425。在材料科学各领域位列前茅,其中科院分区为材料科学1区Top、材料科学综合1区。先后收录于DOAJ、SCIE、Scopus、CSCD等数据库。


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