npj Computational Materials：设计具有高性能热电响应的有机给体–受体复合物的分子路线图

youyoucao 3年前 (2021-07-15) 1657浏览

近年，由有机材料构成的低成本、易加工、绿色、柔性的全有机热电能源转换器件在可穿戴智能设备、医疗器件、物联网等领域展现出诱人的应用前景，并激发广泛的研究兴趣。迄今，聚合物热电材料的发展已经取得重大突破；而对于有机小分子热电材料，尽管人们一直致力于提高其性能，但开发更高性能的分子热电材料仍然是一个长期艰巨的挑战。

有机给体–受体复合物是一类独特的、新兴的有机小分子电子材料。近年，它们在场效应晶体管、光电和热电等方面展现出诱人前景，并激发了人们极大的研究热情。近期，在实验上，有机给体–受体复合物在热电领域取得了一系列重要进展。前人对有机给体–受体复合物的热电性质的研究主要聚焦于材料制备和性能表征。然而，目前尚未解决的一个最主要难题是，对于这一大类新兴体系，我们仍然缺乏系统的材料设计指南，并且，对其基本结构–性质关系和物理过程知之甚少是造成这一问题的根本原因。

为了解决上述关键科学难题，近期，新加坡科技研究局（Agency for Science, Technology and Research，A*STAR），高性能计算研究所（Institute of High Performance Computing，IHPC）的Shuo-Wang Yang（杨硕望，通讯作者）研究员、Gang Wu（吴刚，通讯作者）研究员和中山大学，化学学院的Wen Shi（石文，第一作者，原工作于新加坡科技研究局，高性能计算研究所）副教授等利用密度泛函理论计算、玻尔兹曼输运理论、Brooks–Herring方案和形变势理论，对十三种典型有机给体–受体复合物的热电性质进行了全面、系统的理论计算研究。他们创建了一套直观、通用的分子路线图，用以理性设计具有更高热电响应性能的有机给体–受体复合物，同时提供了一套对其热电功率因子、非直观物理过程和基本化学结构之间相关性的统一理解。

他们的研究结果证实了孤立的给体和受体的前线分子轨道能级决定了固态复合物中的电荷转移、电子结构、电荷输运和热电性能。他们发现调节给体的最高占据分子轨道和受体的最低未占据分子轨道的能级差对获得高热电功率因子至关重要。此外，他们还证明，在有机给体–受体复合物中，由电荷转移引起的库仑散射对电荷传输和热电性质起主导作用。该工作提出的新理解和材料设计准则将有助于使整个有机给体–受体复合物家族的热电性质合理化，并激发这类材料的系统开发，从而进一步提高它们的热电性能。该理论计算工作以题为“A molecular roadmap towards organic donor-acceptor complexes with high-performance thermoelectric response”，发表在近期的《npj Computational Materials》上，全文链接见https://www.nature.com/articles/s41524-021-00580-y。