摘要：近年来，导电聚合物因其在可穿戴设备、柔性电子和可持续能源领域的潜力而备受关注。然而，这类材料的热电性能一直难以与传统无机材料相媲美。近日，由中国科学院福建物构所林悦团队，国防科大陈晨、程海峰团队组成的联合攻关团队，在国际知名期刊Advanced Materia

近年来，导电聚合物因其在可穿戴设备、柔性电子和可持续能源领域的潜力而备受关注。然而，这类材料的热电性能一直难以与传统无机材料相媲美。近日，由中国科学院福建物构所林悦团队，国防科大陈晨、程海峰团队组成的联合攻关团队，在国际知名期刊Advanced Materials上发表了一项突破性研究，提出了一种简单而高效的方法，可以显著提高半结晶导电聚合物的热电性能。

借鉴塑料工业界调整塑料结晶和物性的方法，研究团队通过向聚(2,5-双(3-烷基噻吩-2-基)噻吩并[3,2-b]噻吩)（PBTTT-C14）中添加极少量的成核剂 N,N′-(1,4-苯基)双异烟酰胺（PDA），有效增强了材料的结晶度，从而极大改善了其电导率和热电转换效率。这一方法源自传统聚合物工业，却首次成功应用于有机半导体材料的热电性能优化。

简单方法，大幅提升热电性能

研究表明，在PBTTT-C14薄膜中仅掺入0.9wt% 的 PDA，即可使材料的结晶度提升45%，电导率提高96%，达到1,894 S cm⁻¹，同时热电功率因子（Power Factor）大幅增长433%，达到176 μW m⁻¹ K⁻²。相比未经优化的聚合物，这一提升幅度堪称巨大。“这一突破表明，控制半导体聚合物的微观结构，并不一定要采用机械取向等复杂的加工工艺，传统塑料的工业化加工手段中蕴含着一代代工程师累积的丰富经验与智慧，如何把这些传统而有效的手段应用到半导体，集成电路等新兴行业，是关键所在。”该项目的通讯作者林悦研究员表示，“我们示范了仅仅通过添加一种廉价且易获取的成核剂，就能显著提高了材料的输运性能，这为下一代有机热电材料的开发开辟了新方向。”

机制分析：降低晶界电阻，增强电荷传输

该研究揭示了 PDA 如何在 PBTTT-C14 聚合物薄膜中发挥作用。PDA 能够在高温下均匀溶解，并在冷却过程中自组装形成纳米结构，这些纳米结构促进了聚合物链的有序排列，减少了晶界电阻，提高了电荷迁移率。研究团队通过X射线散射（GIWAXS）、原子力显微镜（AFM）和差示扫描量热法（DSC）等技术，系统地分析了材料的微观结构变化。他们发现，PDA 促使聚合物链更紧密地排列，形成更大的结晶区域，从而显著提升了电荷传输效率。此外，离子交换掺杂（Ion Exchange Doping）工艺的引入，确保了材料在提高电导率的同时，仍能保持极佳的结晶度。

未来展望：柔性电子与可穿戴设备的新希望

这一成果为高性能导电聚合物的研发提供了新思路，也为柔性电子、智能织物、便携式能源设备等领域带来了新的应用前景。相较于传统的无机热电材料，基于聚合物的热电材料具有轻质、柔韧、低成本和环境友好等优势，因此更适用于可穿戴电子设备以及柔性传感器等应用。“我们的研究证明了，成核剂不仅可以用于传统塑料工业，还有可能为下一代半导体材料提供强大的性能提升。”研究团队表示，下一步他们将探索其他类型的成核剂，以进一步优化材料性能，并推动其可能的产业化应用。

该研究获得国家自然科学基金、闽都创新实验室、国防科大创新基金等项目的支持。中国科学院福建物质结构研究所林悦团队专注热输运物理学和高性能热学功能材料研发，近年已取得了系列进展：

Newton. 2025, 1, 100008;

Adv. Funct. Mater. 2024, 2419776；

Adv. Funct. Mater. 2024, 34, 2402276；

ACS Materials Lett. 2024, 6, 4351−4359；

Nano Lett. 2023, 23, 3352−3361.

作者简介：

林悦，中国科学院福建物质结构研究所，研究员，博士生导师；主要围绕热学功能材料开展研究，包括复杂材料体系热输运物理学，功能纳米复合材料设计与制备、先进能源材料开发、先进芯片热管理系统开发等方面。迄今在Adv. Mater.、Newton、Energy Environ. Sci.等具有国际影响力的学术期刊上发表研究论文30余篇。同时，拥有已授权国际专利30余件，2个专利集群成功转让国内外知名公司，实现产业化。获国家自然科学基金委“优秀青年”（海外）基金 (2022)、福建省自然科学基金“杰出青年”基金 (2022)、福建省“百人计划” (2020)、欧盟“玛丽居里全球学者计划 （marie curie global fellowship）”(2018)支持。课题组网站：http://www.fjirsm.ac.cn/ly/，课题组长期招收高分子材料、凝聚态物理、工程热物理、集成电路相关优秀硕士、博士、博士后、以及岗位科研人员，欢迎有意向者积极联系。课题组已毕业硕士生2/3发表中科院SCI分区材料学一区顶级论文，取得京东方、中国科学院兰州化物所、三环集团、国家管网集团等国内头部单位offer，年薪最高达30w+。

论文信息：
Chen Chen, Yue Lin* et al., Boosting Thermoelectric Performance of Semicrystalline Conducting Polymers by Simply Adding Nucleating Agent, Advanced Materials, 2025. DOI: 10.1002/adma.202417594

来源：紫薯宝宝爱科学