Adv. Mater.: 理论首次证实外压可诱导有机分子热电材料功率因子显著提升

　　开发可用于室温的低成本、高效率、绿色安全、稳定柔性的能源转换材料是全人类的梦想，在21世纪有机电子学革命的推动下，有机热电材料的兴起为人类实现这一梦想提供了巨大可能。高性能的有机热电材料是生产可形变和大面积热电器件的先决条件，其可用于物联网，人工智能等新兴领域。目前，人们已经采用多种策略提高有机分子热电材料的性能，如通过场效应装置调节或通过分子掺杂调控载流子浓度，修饰化学结构等，并取得了令人振奋的成就。然而，就性能而言，有机半导体的热电效率仍有待大幅提高，以满足实际应用。

　　新加坡科技局（Agency for Science, Technology and Research）高性能计算研究所（Institute of High Performance Computing）的Shuo-WangYang（杨硕望，通讯作者）博士，Wen Shi（石文，第一作者）博士和新加坡科技局（A*STAR）材料工程研究所（Institute of MaterialsResearch and Engineering）的Kedar Hippalgaonkar（通讯作者）博士等人基于密度泛函理论电子结构计算，密度泛函微扰理论声子谱计算，密度泛函微扰理论和瓦尼尔函数插值技术的电子−声子相互作用计算，并结合玻尔兹曼输运理论，以经典有机分子半导体萘为例，基于萘在常压和高压（1.0和2.1 GPa）下的晶体数据，研究压力对其空穴型热电性能的影响，发现施加压力可以使载流子迁移率显著提升，从而使电导率显著提升，而塞贝克系数略微下降，最终热电功率因子显著增加。其中萘晶体a和b晶轴方向的功率因子从常压下的34.13和159.5 μW m⁻¹ K⁻²增加到2.1 GPa下的381.5和585.8 μW m⁻¹ K⁻²。值得一提的是，尽管常压下的萘的功率因子不高，但其在2.1 GPa下的结果却与目前报道的最好的有机热电材料相当，这说明施加外压是一种有效地提高现有有机分子热电材料功率因子的手段。

　　通过更加细致的分析，他们发现晶格振动引起的电子散射的显著抑制是压力诱导功率因子急剧提升的主要原因。这一结论，也被热致晶体体积收缩引起的功率因子的提升所证明。此外，他们发现抑制低频分子间振动和增加分子间电子耦合是有效抑制电子−声子散射的两个重要因素。从分子设计的角度来看，这两个条件可以通过（i）扩展π共轭骨架，（ii）在π共轭骨架上引入长烷基侧链和（iii）在π共轭骨架上用杂原子取代来实现。另外，振动频率依赖的电子−声子散射率说明低频分子间声学振动模式对分子半导体中电荷传输起主导作用；通过用考虑电子−声学声子散射的形变势模型的计算结果也辅助证明了这一结论。

　　这一理论研究首次提出施加外压是一种有效的非合成策略，以提高现有有机分子半导体的热电功率因子，同时也首次建立了有机电子学中热−电互换与外部压力的关系。该理论工作发表在近期的《Advanced Materials》上，全文链接见https://onlinelibrary.

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