有机半导体独特的电子结构与分子堆积特性赋予其丰富的物理化学性质, 在电荷传输和能量转换器件中有广阔的应用前景. 近年来, 有机半导体的热电性质研究开始起步, 逐渐发展成为重要的前沿研究方向. 尽管相关研究有望为有机半导体的功能性质与应用研究带来新的增长点, 但人们在有机热电材料和器件的诸多方面都缺乏基本认知, 限制了领域的快速发展 (Natl. Sci. Rev. 2016, 3, 269. Nat. Commun. 2015, 6, 8356) .
中国科学院化学研究所有机固体院重点实验室的研究人员一直致力于有机热电材料与器件的研究. 在前期工作中, 他们针对高效发展高性能有机热电材料这一领域性难题, 系统开展了高迁移率有机半导体的热电性质场调控研究. 从实验上证明有机场效应晶体管可以作为有机半导体热电性质的场调控平台, 获得相关参数的制约关系并推测性能优化条件, 为有机半导体热电材料的高效遴选提供了新思路 (Adv. Funct. Mater. 2015, 25, 3004) .
在有机热电材料体系的研究中, n型材料的开发长期面临体系少, 性能低和掺杂困难等难题. 在科技部国家重点研发计划, 中科院战略性先导科技专项和国家自然科学基金委项目的支持下, 有机固体实验室的科研人员结合前期高迁移率有机半导体的研究, 热电性质的场调控和铋金属界面化学掺杂, 成功发现并证实了TDPPQ是一类高性能n型有机半导体热电材料 (Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 10672) . 最近, 他们进一步结合热电性质的场调控和化学掺杂调控, 成功发现了新型的更高性能n型有机半导体热电材料 (A-DCV -DPPTT) . 该类材料的薄膜在化学掺杂后的最高热电优值突破0.2, 是n型有机小分子热电材料的最优性能. 更为重要的是, 他们和北京师范大学的科研人员密切合作, 结合理论计算系统阐述了该类材料热电性能的共轭骨架效应与掺杂机制, 为新型有机半导体热电材料的设计提供了新途径和重要的参考依据. 相关结果近期发表在J. Am. Chem. Soc. (2017, 139, 13013 )上.
