近日,合肥光源用戶中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所朱道本院士/狄重安研究員團(tuán)隊(duì)在柔性熱電器件研究領(lǐng)域取得重大突破。研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地結(jié)合合肥光源軟X射線成像線站(BL07W)和共振軟X射線散射(金華)線站(BL05U-B),通過成像與散射的多模態(tài)表征技術(shù),成功揭示了不規(guī)則多級(jí)孔結(jié)構(gòu)聚合物薄膜的跨尺度微觀結(jié)構(gòu),為開發(fā)創(chuàng)紀(jì)錄高性能柔性熱電器件提供了關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)信息支撐。相關(guān)研究成果以“Irregular hierarchical-porous polymer for high-performance soft thermoelectrics”為題,于2026年3月6日發(fā)表在《科學(xué)》(Science)上。
柔性熱電器件能夠?qū)⑷梭w熱量轉(zhuǎn)化為電能,在可穿戴電子設(shè)備領(lǐng)域具有廣闊前景。然而,傳統(tǒng)聚合物熱電材料性能難以滿足實(shí)際需求,其核心挑戰(zhàn)在于如何同時(shí)降低熱導(dǎo)率并提高電導(dǎo)率,這二者在常規(guī)材料中往往相互制約。針對(duì)這一難題,研究團(tuán)隊(duì)提出了一種創(chuàng)新的“不規(guī)則多級(jí)孔”設(shè)計(jì)策略,通過精細(xì)調(diào)控的相分離方法,在聚合物中構(gòu)建了尺寸從幾納米到幾微米、形狀與分布均呈不規(guī)則特征的孔洞結(jié)構(gòu),成功構(gòu)建了不規(guī)則多級(jí)孔熱電聚合物(IHP-TEP)材料,如圖1所示。這種獨(dú)特的跨尺度多孔結(jié)構(gòu)能夠有效散射熱量傳播(聲子),同時(shí)提升了材料的結(jié)晶度和電荷輸運(yùn)能力,最終實(shí)現(xiàn)了高達(dá)1.64的熱電優(yōu)值(zT),刷新了柔性聚合物熱電材料性能的世界紀(jì)錄。

圖1. IHP-TEP結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想
在這一突破性研究中,合肥光源的兩條軟X射線線站通過成像與散射的聯(lián)用,發(fā)揮了不可替代的多模態(tài)表征優(yōu)勢(shì):共振軟X射線散射線站(BL05U-B)為解析多級(jí)孔結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)信息提供了核心手段。研究團(tuán)隊(duì)利用該線站在240 eV的光子能量下對(duì)聚合物共混薄膜進(jìn)行了共振軟X射線散射(RSoXS)表征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,PDPPSe-12與聚苯乙烯(PS)共混薄膜呈現(xiàn)出極寬的相分離尺寸分布,范圍從5 nm到560 nm,并在約20 nm、230 nm和450 nm出現(xiàn)三個(gè)特征峰,如圖2所示。這一結(jié)果從統(tǒng)計(jì)平均意義上直接證實(shí)了不規(guī)則多級(jí)孔結(jié)構(gòu)在從納米到微米尺度的跨層級(jí)分布,為理解其多尺度聲子散射機(jī)制提供了關(guān)鍵的定量依據(jù)。軟X射線成像線站(BL07W)的納米計(jì)算機(jī)斷層成像(nano-CT)技術(shù)則為三維孔洞網(wǎng)絡(luò)的可視化提供了直觀證據(jù)。研究團(tuán)隊(duì)通過nano-CT技術(shù)對(duì)不同聚合物配比下的多級(jí)孔薄膜進(jìn)行了高分辨三維重構(gòu),直觀地展示了孔洞尺寸、孔隙率以及孔喉分布隨材料配比的變化規(guī)律。三維重構(gòu)圖像清晰地揭示了當(dāng)PDPPSe-12與PS比例為70:30時(shí),薄膜形成了最佳的不規(guī)則多級(jí)孔網(wǎng)絡(luò),孔隙率達(dá)到0.23,孔喉尺寸主要集中在150 nm附近,如圖3所示。更重要的是,成像結(jié)果直觀地展現(xiàn)了孔洞的不規(guī)則形狀和隨機(jī)分布特征,這正是突破傳統(tǒng)理論模型預(yù)測(cè)、實(shí)現(xiàn)熱導(dǎo)率額外大幅降低的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)因素。這種通過成像直接觀察到的“不規(guī)則性”,與散射技術(shù)獲取的統(tǒng)計(jì)平均信息形成了很好的互補(bǔ)。

圖2. PDPPSe-12/PS(70:30)共混薄膜RSoXS表征結(jié)果

圖3. 不同比例PDPPSe-12/PS共混薄膜nano-CT表征結(jié)果
該研究通過將散射技術(shù)的統(tǒng)計(jì)定量?jī)?yōu)勢(shì)與成像技術(shù)的直觀可視化能力相結(jié)合,構(gòu)建了對(duì)不規(guī)則多級(jí)孔結(jié)構(gòu)從“平均尺寸分布”到“真實(shí)三維形貌”的完整認(rèn)知。這種多模態(tài)表征策略,精準(zhǔn)地建立了復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)與宏觀熱電性能之間的構(gòu)效關(guān)系,充分展示了同步輻射光源在先進(jìn)功能材料研究中的強(qiáng)大能力。多模態(tài)表征已成為解析此類復(fù)雜體系結(jié)構(gòu)、揭示其工作機(jī)制的不可或缺的研究范式。
原文鏈接:https://www.science.org/doi/10.1126/science.adx9237