Pesquisadores criam plásticos multi-heterojuncionais com alto índice de mérito termoelétrico

Materiais termoelétricos orgânicos são muito promissores como fontes de energia flexíveis para a Internet das Coisas e eletrônicos vestíveis. No entanto, sua figura de mérito adimensional (ZT) relativamente baixa em comparação com materiais tradicionais tem sido um grande obstáculo, limitando seu uso na geração de energia termoelétrica e resfriamento de estado sólido.

O Prof. Di Chong’an do Instituto de Química da Academia Chinesa de Ciências e o Prof. Zhao Lidong da Universidade Beihang, juntamente com seus colaboradores, introduziram uma estrutura de multi-heterojunção polimérica (PMHJ) que atingiu um ZT superior a 1,0. O estudo foi publicado em Natureza.

Materiais termoelétricos ideais devem estar em conformidade com o modelo “fônon-vidro elétron-cristal”. Atualmente, aumentar o fator de potência é o foco principal no desenvolvimento de materiais termoelétricos orgânicos de alto desempenho. Apesar dos esforços para melhorar a eficiência termoelétrica avaliando a condutividade térmica, a falta de estratégias eficazes para espalhamento de fônons em sistemas de materiais macios impediu um progresso significativo na obtenção de um salto no valor ZT na última década.

Neste estudo, os pesquisadores propuseram a estrutura PMHJ para manipular a condutividade térmica em sistemas orgânicos. Este novo design apresenta uma nanoestrutura periodicamente organizada, com cada camada de polímero medindo menos de 10 nm de espessura. As camadas de interface adjacentes têm aproximadamente duas camadas moleculares de espessura e exibem propriedades de heterojunção em massa.

Ao controlar com precisão a espessura da camada de polímero e as características estruturais da interface, os pesquisadores estudaram o efeito de tamanho e a dispersão difusa de vibrações térmicas do tipo fônon/fônon dentro da estrutura do PMHJ.

Eles descobriram que, à medida que a espessura da camada se aproximava do caminho livre médio do fônon ao longo da direção do backbone conjugado, a dispersão da interface se intensificava, levando a uma redução significativa na condutividade térmica da rede do filme em mais de 70% para 0,1 W m^-1 E^-1. Além disso, eles descobriram que o filme dopado (6,4,4) demonstrou excelentes propriedades de transporte elétrico, com um alto fator de potência de 628 μW m^-1 E^-2 e um ZT máximo de 1,28, superando em muito os atuais materiais termoelétricos orgânicos.

Além dessas conquistas, os filmes PMHJ são compatíveis com a tecnologia de processamento de soluções de grande área. Os dispositivos integrados termoelétricos exibiram uma densidade de potência normalizada impressionante de 1,12 μW cm^-2 E^-2destacando seu potencial para uso em componentes de fornecimento de energia flexíveis.

Este estudo ressalta a importância da engenharia de nanoestruturas na superação da limitação de plásticos de interação fraca devido ao baixo ZT. Ele oferece uma nova maneira de fazer avanços em materiais termoelétricos baseados em plástico.