聚噻吩單鏈量子熱輸運(yùn)的第一性原理研究?

吳宇蔡紹洪鄧明森3)4)孫光宇2)劉文江

1)(貴州大學(xué)大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院,貴陽(yáng) 550025)

2)(貴州師范學(xué)院物理與電子科學(xué)學(xué)院,應(yīng)用物理研究所,貴陽(yáng) 550018)

3)(貴州師范學(xué)院,貴州省納米材料模擬與計(jì)算重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,貴陽(yáng) 550018)

4)(貴州財(cái)經(jīng)大學(xué),貴州省經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)仿真重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,貴陽(yáng) 550025)

1 引 言

有機(jī)導(dǎo)電材料聚噻吩自問(wèn)世以來(lái),以奇異的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)吸引了眾多研究人員的關(guān)注.2000年,諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予艾倫·黑格、艾倫·麥克德?tīng)柮椎潞桶状ㄓ?shù),以表彰他們?cè)谟袡C(jī)導(dǎo)電材料研究領(lǐng)域中的開(kāi)創(chuàng)性貢獻(xiàn).2014年,世界上最小的發(fā)光二極管由聚噻吩單分子鏈實(shí)現(xiàn),該材料的神奇用途得以展示[1],另外,在太陽(yáng)能電池研究領(lǐng)域也能見(jiàn)到聚噻吩活躍的身影[2].

聚噻吩塊體通常被看作絕熱材料,熱導(dǎo)率低于1 W·m?1·K?1,其絕熱性由塊體內(nèi)部高分子鏈的形變和大量界面狀態(tài)導(dǎo)致.事實(shí)上,沿聚噻吩分子鏈方向排列的無(wú)定形聚噻吩納米纖維,室溫下熱導(dǎo)率高達(dá)4.4 W·m?1·K?1,高于聚噻吩塊體的熱導(dǎo)率[3].這種奇特的微觀熱輸運(yùn)機(jī)理值得探索.此外,聚噻吩作為熱電材料也受到人們的青睞[4].根據(jù)ZT=S2GT/(Kph+Ke)[5],其中ZT為熱電優(yōu)值,表征材料的熱電轉(zhuǎn)換效率,S為材料的塞貝克系數(shù),T為絕對(duì)溫度,G為電導(dǎo),Kph為聲子熱導(dǎo),Ke為電子熱導(dǎo),由于本征聚噻吩單鏈的能隙約為2.0—2.3 eV[6],故Ke可忽略不計(jì).探討同位素?fù)诫s對(duì)聚噻吩單鏈聲子熱導(dǎo)Kph的抑制效果,提高聚噻吩材料的熱電轉(zhuǎn)換效率,也是一個(gè)頗具價(jià)值的問(wèn)題.這些都與聚噻吩單鏈的熱輸運(yùn)性質(zhì)緊密相關(guān).我們希望確定純聚噻吩單鏈熱導(dǎo)率的理論上限,這在實(shí)驗(yàn)上難以實(shí)現(xiàn),因?yàn)槲⒂^上存在諸多復(fù)雜且難以控制的因素.其次,同位素雜質(zhì)是影響材料熱輸運(yùn)性質(zhì)的重要因素.石墨烯的熱輸運(yùn)及其同位素效應(yīng)在理論[7?12]和實(shí)驗(yàn)方面都有了較為深入的研究.溫度約為室溫時(shí),12C石墨烯帶中摻入一半13C原子后,熱導(dǎo)率幾乎降低一半[13].室溫下,將自然豐度BN納米管(19.9%10B,80.1%11B)中的11B含量提升至99.5%后,熱導(dǎo)率提高了近一倍[14].

對(duì)于另一種有機(jī)高分子聚合物——聚乙烯,其出色的導(dǎo)熱性能在實(shí)驗(yàn)和第一性原理角度已有研究[15,16].而聚噻吩單鏈量子熱輸運(yùn)目前的理論研究?jī)H限于分子動(dòng)力學(xué)(MD)方法[3,17].為了體現(xiàn)該微觀輸運(yùn)現(xiàn)象的量子特征,從量子力學(xué)出發(fā),同時(shí)可有效避免MD中計(jì)算方法或經(jīng)驗(yàn)勢(shì)函數(shù)不同所導(dǎo)致的計(jì)算結(jié)果差異.鑒于聚噻吩在有機(jī)發(fā)光器件、太陽(yáng)能電池、熱電材料等方面的廣泛用途,研究聚噻吩單鏈的量子熱輸運(yùn)及其同位素效應(yīng),對(duì)認(rèn)識(shí)聚噻吩的導(dǎo)熱潛力以及調(diào)控其熱性能十分必要.本文在密度泛函理論(DFT)計(jì)算基礎(chǔ)上,用中間插入延展(CIS)[18,19]方法結(jié)合非平衡格林函數(shù)(NEGF)[20,21]方法,考察純聚噻吩單鏈在室溫下熱導(dǎo)率的理論上限,以及一般摻雜比例下的熱導(dǎo)同位素效應(yīng).

2 計(jì)算模型與方法

計(jì)算模型中,散射區(qū)域包含32個(gè)聚噻吩單胞,共計(jì)448個(gè)原子,總長(zhǎng)度L=25.107 nm,兩端分別為半無(wú)限長(zhǎng)聚噻吩單鏈熱極.納米尺度下,聲子的彈性輸運(yùn)占主導(dǎo)因素,若忽略聲子間以及電、聲子間的相互作用,且考慮特定摻雜比例下同位素雜質(zhì)隨機(jī)構(gòu)型不同引起的透射系數(shù)平均效應(yīng),Landauer公式[12,22,23]給出的平均熱導(dǎo)Kph為

式中?為約化普朗克常數(shù),ω為聲子頻率,kB為玻爾茲曼常數(shù),T為體系的絕對(duì)溫度,Tph(ω)為聲子透射系數(shù),

式中I為單位矩陣,D為散射區(qū)域的動(dòng)力學(xué)矩陣:

式中M為原子質(zhì)量,力常數(shù)二階張量Kiα,jβ的定義為

式中i,j為原子編號(hào),α,β={x,y,z}表示三個(gè)正交方向,E為微觀體系的總能量,R0為體系能量最低狀態(tài)下的穩(wěn)定幾何構(gòu)型,Qiα是第i個(gè)原子α方向的小位移量,F是原子間的相互作用力.

圖1 含隨機(jī)同位素雜質(zhì)13C的聚噻吩單鏈?zhǔn)疽鈭DFig.1.Illustration of a polythiophene chain containing random con fi guration of13C isotopes.

為了體現(xiàn)同位素隨機(jī)摻雜后透射系數(shù)的統(tǒng)計(jì)平均效應(yīng),對(duì)每一種確定的同位素?fù)诫s比例(100%摻雜的情形除外,此時(shí)物質(zhì)為純聚噻吩單鏈,沒(méi)有隨機(jī)因素,體系的平均透射系數(shù)與透射系數(shù)相同,平均熱導(dǎo)與熱導(dǎo)相同)計(jì)算10個(gè)隨機(jī)同位素雜質(zhì)構(gòu)型,逐一計(jì)算各隨機(jī)構(gòu)型下的透射系數(shù),再求其算術(shù)平均值,進(jìn)而獲得該摻雜比例下的平均透射系數(shù)〈Tph(ω)〉以及平均熱導(dǎo)Kph.

聚噻吩單鏈的優(yōu)化和力常數(shù)二階張量的計(jì)算采用量子化學(xué)軟件Gaussian09.計(jì)算選用雜化密度泛函b3lyp及6-31g(d)基組,優(yōu)化后沿聚噻吩單鏈的方向單胞的晶格常數(shù)為7.846 ?(1 ?=0.1 nm),與X射線衍射(XRD)實(shí)驗(yàn)[24]測(cè)得的聚噻吩薄膜的晶格常數(shù)7.56 ?相近.構(gòu)建的超胞包含3個(gè)聚噻吩單胞,在周期性邊界條件下進(jìn)行優(yōu)化后,可得到聚噻吩單鏈的穩(wěn)定幾何結(jié)構(gòu),此時(shí)各原子的最大受力數(shù)值都低于10?3eV/?,在此基礎(chǔ)上,計(jì)算相應(yīng)的力常數(shù)張量,并使最終得到的力常數(shù)張量與原物理體系的對(duì)稱性一致[25,26].

在DFT計(jì)算獲取超胞力常數(shù)張量的前提下,通過(guò)CIS方法進(jìn)一步構(gòu)造了25.107 nm長(zhǎng)的聚噻吩單鏈的動(dòng)力學(xué)矩陣.鑒于DFT計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的差異,最終的聲子透射譜經(jīng)過(guò)計(jì)算化學(xué)比較和基準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)(CCCBDB)的頻率校正,校正因子取為0.960[27].CIS方法是一種電子結(jié)構(gòu)線性標(biāo)度算法,在計(jì)算大型準(zhǔn)周期電子體系結(jié)構(gòu)和量子輸運(yùn)中已得到嚴(yán)格驗(yàn)證和廣泛應(yīng)用[28?30].利用CIS方法擴(kuò)展體系的力常數(shù)張量,極大地提高了計(jì)算效率,可以處理長(zhǎng)達(dá)25.107 nm的聚噻吩單鏈及其同位素?fù)诫s的聲子散射問(wèn)題.采用CIS方法得到的純12C,32S聚噻吩單鏈的聲子透射譜和熱導(dǎo),與直接用超胞力常數(shù)張量計(jì)算的結(jié)果完全相同,這印證了CIS方法計(jì)算結(jié)果的正確性.

聲子在傳播過(guò)程中與同位素雜質(zhì)發(fā)生散射,使體系熱導(dǎo)減小.納米體系中,若直接用第一性原理方法計(jì)算包含數(shù)百原子體系的力常數(shù)張量,計(jì)算量極為巨大.作為簡(jiǎn)化處理,討論聲子與雜質(zhì)散射常見(jiàn)的方法有級(jí)聯(lián)散射模型[31,32]和標(biāo)度理論方法[33,34].二者假定在低摻雜濃度下,雜質(zhì)對(duì)聲子的散射總效應(yīng)可看作一系列相繼單道散射效果的疊加,但這一假設(shè)對(duì)同位素雜質(zhì)濃度(原子百分?jǐn)?shù),下同)高于10%的情況并不成立[12,31].用CIS方法在保持第一性原理精度的條件下大大提高了計(jì)算效率,因而可以采用直接模擬同位素雜質(zhì)隨機(jī)分布的辦法,對(duì)包含448個(gè)原子的聚噻吩單鏈在各同位素?fù)诫s比例下的平均熱導(dǎo)進(jìn)行研究.該方法可體現(xiàn)單、多道聲子散射效應(yīng)同時(shí)存在的一般情形,理論上能比較準(zhǔn)確完整地描述一般同位素?fù)诫s比例情況下的平均熱導(dǎo)變化.

C的穩(wěn)定同位素有12C,13C兩種,其中12C的豐度為98.93%;S的穩(wěn)定同位素有32S,33S,34S,36S,其中32S的豐度為94.99%.根據(jù)聚噻吩C,S原子的自然豐度,研究沒(méi)有同位素雜質(zhì)時(shí)純聚噻吩體系的熱導(dǎo),即先考查純凈聚噻吩單鏈在以12C,32S作為基本組分時(shí)的熱輸運(yùn)規(guī)律,再研究單獨(dú)摻入13C,36S雜質(zhì)時(shí)熱導(dǎo)的同位素效應(yīng),最后討論聚噻吩單鏈熱導(dǎo)的原子質(zhì)量效應(yīng).

3 結(jié)果與討論

圖2中純凈12C,32S聚噻吩單鏈聲子的透射譜呈明顯的量子化特征,熱導(dǎo)量子化的基本單元為[35](h為普朗克常數(shù)),從第一個(gè)顯著的量子化臺(tái)階可以看出,體系在低頻極限時(shí)透射系數(shù)Tph=3.圖2中最高聲子頻率在1500 cm?1左右,該頻段對(duì)應(yīng)C—C鍵伸縮振動(dòng),這與聚噻吩薄膜晶體拉曼光譜的測(cè)量結(jié)果一致[36].

為了考察不同頻率的聲子對(duì)熱導(dǎo)的貢獻(xiàn),以圖2中純凈12C,32S聚噻吩單鏈聲子的透射譜為例,將(1)式的被積函數(shù)在T=300 K時(shí)作無(wú)量綱化處理,除以其在積分區(qū)間內(nèi)的最大值,得到不同頻率聲子對(duì)熱導(dǎo)貢獻(xiàn)的相對(duì)強(qiáng)度r(ω).由圖3可知,低頻段聲子的透射能力對(duì)體系的熱導(dǎo)有決定性的貢獻(xiàn).

圖2 100%12C和25%13C同位素?fù)诫s的平均透射譜Fig.2.Average transmittance of pure12C sample and sample with13C isotope concentration of 25%.

圖3 T=300 K時(shí)不同頻率聲子對(duì)熱導(dǎo)貢獻(xiàn)的相對(duì)強(qiáng)度Fig.3.Relative intensity of a phonon contributing to the thermal conductance at different frequencies at 300 K.

如圖4所示,繼續(xù)提高13C原子的摻雜濃度,當(dāng)C原子全為13C時(shí),體系重新成為純凈的聚噻吩單鏈,此時(shí)透射譜再次呈現(xiàn)整齊的臺(tái)階特征,這說(shuō)明同位素雜質(zhì)概念的相對(duì)性.該透射譜形狀與純凈12C聚噻吩的透射譜非常相似,只是整個(gè)透射譜向低頻方向移動(dòng),截止頻率從1550 cm?1減少到1500 cm?1,相應(yīng)的C—C鍵振動(dòng)頻率降低.

從圖5可以看出,隨著溫度的升高,體系的平均熱導(dǎo)單調(diào)增加.對(duì)于12C聚噻吩單鏈,隨著13C摻雜濃度由低到高,體系的平均熱導(dǎo)先減小后變大,其中13C摻雜濃度為25%與75%時(shí)兩條曲線基本重合.純12C聚噻吩單鏈的熱導(dǎo)比純13C的聚噻吩單鏈略大.其他條件一定,聚噻吩單鏈中12C,13C原子等比例摻雜時(shí),平均熱導(dǎo)總是最小.

圖4 50%13C同位素?fù)诫s和100%13C的平均透射譜Fig.4.Average transmittance of samples with13C isotope concentrations of 50%and 100%.

圖5 聚噻吩單鏈各同位素?fù)诫s比例下的平均熱導(dǎo)溫度曲線Fig.5.Average thermal conductance versus temperature for different isotopic compositions.

考慮由12C,32S組成的純凈聚噻吩單鏈的熱導(dǎo)率.在聲子平均自由程以內(nèi)彈性輸運(yùn)條件下,聚噻吩單鏈的熱導(dǎo)率σ與散射區(qū)域的長(zhǎng)度L成正比,σ=KphL/A[16],其中A為聚噻吩單鏈的橫截面積.根據(jù)聚噻吩晶體薄膜X射線衍射實(shí)驗(yàn)的結(jié)果[24],用聚噻吩晶體薄膜的晶格常數(shù)a=10.80 ?,b=4.74 ?的乘積來(lái)定義橫截面積.實(shí)驗(yàn)測(cè)定聚噻吩單鏈中的聲子平均自由程非常困難[3].從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,沿聚噻吩分子鏈方向排列但處于無(wú)定形狀態(tài)的聚噻吩纖維熱導(dǎo)率能夠達(dá)到4.4 W·m?1·K?1[3],可以推測(cè)純凈的一維聚噻吩單鏈晶體當(dāng)有更為可觀的量子熱輸運(yùn)能力,12C,32S組成的純聚噻吩單鏈中的聲子平均自由程大于32 nm.為了便于比較,取L=32 nm,得到T=300 K時(shí)32 nm長(zhǎng)的純聚噻吩單鏈的熱導(dǎo)率為30.2 W·m?1·K?1(圖6),約為室溫下相同長(zhǎng)度聚乙烯單鏈熱導(dǎo)率的1/3[16],而與鉛的熱導(dǎo)率35 W·m?1·K?1相近. 文獻(xiàn)[3]運(yùn)用平衡分子動(dòng)力學(xué)(EMD),在周期性邊界條件下,選用ReaxFF勢(shì)函數(shù)計(jì)算得到室溫下32 nm長(zhǎng)聚噻吩單鏈的熱導(dǎo)率為43.3 W·m?1·K?1.另外,文獻(xiàn)[17]在MD框架下,同樣選取ReaxFF勢(shì)函數(shù),用格林久保模態(tài)分析(GKMA)方法,研究了聚噻吩單鏈熱導(dǎo)率與鏈長(zhǎng)的關(guān)系,結(jié)果表明室溫下32 nm長(zhǎng)的聚噻吩單鏈熱導(dǎo)率約7.5 W·m?1·K?1,且在該輸運(yùn)尺度以內(nèi),熱導(dǎo)率與鏈長(zhǎng)成正比;120 nm長(zhǎng)的聚噻吩單鏈熱導(dǎo)率超過(guò)120 W·m?1·K?1.該結(jié)論有力支持了純聚噻吩單鏈中聲子平均自由程大于32 nm推測(cè)的合理性.從量子力學(xué)方法出發(fā)可得,室溫下32 nm長(zhǎng)聚噻吩單鏈熱導(dǎo)率為30.2 W·m?1·K?1,該結(jié)果恰好處于EMD和GKMA方法給出的熱導(dǎo)率之間(43.3 W·m?1·K?1＞30.2 W·m?1·K?1＞7.5 W·m?1·K?1).我們認(rèn)為EMD的計(jì)算結(jié)果偏高是采用經(jīng)典力學(xué)近似和選用的經(jīng)驗(yàn)勢(shì)函數(shù)ReaxFF導(dǎo)致的.GKMA方法在ReaxFF勢(shì)模擬基礎(chǔ)上考慮了聲子之間的相互作用,體現(xiàn)出聲子散射的非諧效應(yīng),故而得出的熱導(dǎo)率7.5 W·m?1·K?1小于我們?cè)趶椥暂斶\(yùn)條件下用量子力學(xué)方法計(jì)算得到的結(jié)果.上述三個(gè)獨(dú)立的理論研究結(jié)果一致表明,絕熱的聚噻吩材料的熱輸運(yùn)潛力十分可觀,仍有相當(dāng)大的提升空間.

T=300 K時(shí)12C聚噻吩鏈中由低到高摻入不同濃度的13C同位素雜質(zhì)時(shí),體系平均熱導(dǎo)變化規(guī)律呈U型曲線.這與石墨烯帶和硅納米線熱輸運(yùn)的同位素效應(yīng)規(guī)律相似[13,37,38].作為對(duì)比,我們計(jì)算了純32S聚噻吩單鏈中摻入同樣比例36S同位素雜質(zhì)的情形,體系平均熱導(dǎo)變化的規(guī)律相近,但變化量相對(duì)較小.

從圖7還可以發(fā)現(xiàn),聚噻吩12C,13C熱導(dǎo)的同位素效應(yīng)在等比例摻雜時(shí)最為突出,平均熱導(dǎo)比純凈的12C聚噻吩單鏈降低了31%;32S,36S的情況也是如此,只是其平均熱導(dǎo)比未摻雜時(shí)降低了9%.12C,13C同位素原子各以50%比例隨機(jī)摻雜時(shí)對(duì)聲子的散射最強(qiáng)烈,此時(shí)平均熱導(dǎo)最小.聲子與同位素雜質(zhì)作用時(shí)單、多道散射同時(shí)存在,且多道散射的影響具有決定性作用,體現(xiàn)出整體的散射行為.誤差棒的長(zhǎng)度特征表明,同樣摻雜比例下,C原子同位素效應(yīng)引起聚噻吩單鏈的熱導(dǎo)分散性比S原子更加突出.

圖6 T=300 K時(shí)32 nm長(zhǎng)純12C,32S聚噻吩單鏈熱導(dǎo)率Fig.6.Thermal conductivity of pure12C and32S polythiophene chain with a length of 32 nm at 300 K.

圖7 T=300 K時(shí)不同13C,36S雜質(zhì)摻雜比例的聚噻吩單鏈平均熱導(dǎo)Fig.7.Average thermal conductance of polythiophene doped with various13C and36S concentrations at 300 K.

從結(jié)構(gòu)化學(xué)的角度來(lái)看,C=C鍵的鍵能(約600 kJ/mol)比C—S鍵的鍵能(約270 kJ/mol)大,即相鄰C,C原子間的耦合比C,S原子間的耦合更為緊密,而S的原子質(zhì)量約為C原子質(zhì)量的3倍,故S原子的存在將抑制聲子沿聚噻吩單鏈中C—S—C結(jié)構(gòu)的傳播,因而聚噻吩單鏈中的聲子主要從相鄰C原子為骨架的主鏈中傳輸;另外,一個(gè)聚噻吩單胞中C原子數(shù)與S原子數(shù)的比例為4:1,這就意味著同一摻雜濃度下,聚噻吩單鏈中聲子與C原子同位素雜質(zhì)散射的次數(shù)將是S原子同位素雜質(zhì)數(shù)目的4倍.因此,對(duì)于同樣的隨機(jī)摻雜濃度,聚噻吩單鏈中C原子同位素效應(yīng)導(dǎo)致的體系熱導(dǎo)削弱比S原子顯著得多.可以推測(cè),同樣摻雜比例下,C=C主鏈上出現(xiàn)C同位素雜質(zhì)對(duì)體系熱導(dǎo)的擾動(dòng)幅度比非C=C主鏈上出現(xiàn)S原子同位素雜質(zhì)時(shí)更為明顯,事實(shí)上,圖7中,在相同的摻雜比例下,C,S同位素雜質(zhì)引起體系熱導(dǎo)波動(dòng)的誤差棒長(zhǎng)度特征有力地印證了這一點(diǎn).

聚噻吩熱導(dǎo)的同位素效應(yīng)可以作為熱導(dǎo)調(diào)制的一個(gè)有效途徑.從散熱角度考慮,希望盡量提高聚噻吩的熱導(dǎo)率,這對(duì)設(shè)計(jì)諸如聚噻吩單分子發(fā)光二極管之類(lèi)的納米電子器件,尤其是防止局域熱導(dǎo)致的熔斷,至關(guān)重要;而熱電材料的開(kāi)發(fā)卻需要抑制聚噻吩熱導(dǎo)以提高熱電轉(zhuǎn)換效率,這可以通過(guò)調(diào)節(jié)C同位素雜質(zhì)的最佳摻雜濃度實(shí)現(xiàn).理論預(yù)測(cè)可知C元素的熱導(dǎo)同位素效應(yīng)比S元素更顯著,因而調(diào)節(jié)效果更佳.

圖8所示為T(mén)=300 K時(shí),聚噻吩單鏈中保持32S不變,碳元素分別為12C,13C,14C的質(zhì)量熱導(dǎo)效應(yīng)曲線;以及保持12C不變,S元素分別為32S,33S,34S,36S的質(zhì)量熱導(dǎo)效應(yīng)曲線.從圖8可以看出,隨著C的相對(duì)原子質(zhì)量變大,熱導(dǎo)基本呈反比例減小;精確的計(jì)算表明,隨著S的相對(duì)原子質(zhì)量變大,熱導(dǎo)反而緩慢增加,后逐漸趨于恒定.這說(shuō)明相對(duì)原子質(zhì)量熱導(dǎo)效應(yīng)曲線隨著微觀體系結(jié)構(gòu)的不同可以有復(fù)雜的表現(xiàn)形式,由整個(gè)體系的質(zhì)量分布和力常數(shù)張量共同決定.

圖8 T=300 K時(shí)純聚噻吩單鏈熱導(dǎo)隨相對(duì)原子質(zhì)量的變化Fig.8.Thermal conductance of pure polythiophene chain versus relative atom mass at 300 K.

4 結(jié) 論

應(yīng)用DFT,CIS方法結(jié)合NEGF方法,預(yù)測(cè)了室溫下32 nm長(zhǎng)純聚噻吩單鏈熱導(dǎo)率的理論上限為30.2 W·m?1·K?1,并與MD方法的結(jié)果進(jìn)行了比較.另外,對(duì)長(zhǎng)度為25.107 nm、包含448個(gè)原子的聚噻吩單鏈在一般摻雜比例下的熱導(dǎo)同位素效應(yīng)進(jìn)行了研究,克服了級(jí)聯(lián)散射模型及標(biāo)度理論僅適用于低摻雜濃度(≤10%)的不足.計(jì)算發(fā)現(xiàn),同等摻雜比例下,聚噻吩中C元素?zé)釋?dǎo)的同位素效應(yīng)比S元素更為顯著.室溫下,12C,13C隨機(jī)同位素?fù)诫s的聚噻吩單鏈,摻雜比例為1:1時(shí)熱導(dǎo)同位素效應(yīng)最為顯著,此時(shí)的平均熱導(dǎo)比未摻雜前至少降低了30%.這對(duì)于認(rèn)識(shí)聚噻吩單鏈熱導(dǎo)的調(diào)控因素,挖掘聚噻吩材料在熱輸運(yùn)方面的潛力,優(yōu)化其在有機(jī)發(fā)光器件、太陽(yáng)能電池和熱電材料方面的性能具有積極的意義.同時(shí),探索準(zhǔn)一維高分子鏈體系熱導(dǎo)同位素效應(yīng)的特點(diǎn),對(duì)于調(diào)制納米線的熱導(dǎo)[39,40]及提高納米材料的熱電優(yōu)值[41,42],也有一定的參考借鑒價(jià)值.

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