東京大學(xué)完整解析出導(dǎo)電高分子材料產(chǎn)生熱電效應(yīng)的原理

近日，東京大學(xué)大學(xué)院新領(lǐng)域創(chuàng)成科學(xué)研究科，連同材料創(chuàng)新研究中心（Material Innovation Research Center）、產(chǎn)業(yè)綜合研究所/東大先端技術(shù)運(yùn)算數(shù)測量技術(shù)創(chuàng)新研究所、物質(zhì)材料研究機(jī)構(gòu)國際納米結(jié)構(gòu)研究點(diǎn)（WPI-MANA）等研究小組聲明，已完整解析出用導(dǎo)電高分子材料可以產(chǎn)生熱電效應(yīng)的原理。

研究小組研制出一種芯片溫度計裝置，該裝置由數(shù)十納米厚的高分子材料制成的薄膜，電阻加熱器與經(jīng)過校準(zhǔn)的溫度傳感器，以及測量熱電動勢的點(diǎn)擊探針組成。該裝置可在長為100微米的范圍內(nèi)形成溫度梯度，并同時統(tǒng)計電導(dǎo)率、電荷密度與塞貝克系數(shù)數(shù)值（圖1）。

圖1 左圖為顯微鏡下的芯片溫度計裝置，右圖為芯片溫度計裝置的溫度梯度示意圖

圖2 左圖為熱電動勢（塞貝克系數(shù)）的溫度相關(guān)度，中圖與右圖是導(dǎo)電性高分子的電子顯微鏡圖像

在室溫到25K的低溫范圍內(nèi)，利用高結(jié)晶度的導(dǎo)電性高分子薄膜來進(jìn)行熱電動勢的測量。從結(jié)果來看（圖2），可知塞貝克系數(shù)隨溫度升高成線性比例增加，這個結(jié)果與金屬或簡并半導(dǎo)體的情況一致。除此之外，霍爾效應(yīng)與泡利順磁性，以及德魯?shù)掳l(fā)射率的觀測等，也滿足金屬或簡并半導(dǎo)體所顯示的電子特性。

以前采用的低結(jié)晶度的導(dǎo)電高分子在觀測中并無上述情況發(fā)生，故可知金屬的簡并狀態(tài)為熱電動勢生成的原因。用X射線來進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析或利用電子顯微鏡觀察可確認(rèn)高結(jié)晶度。

研究小組證明，利用擁有金屬性的電子在低能量狀態(tài)下對電磁波進(jìn)行反射的特性（德魯?shù)路答仯▓D3），可以對材料進(jìn)行簡易篩選。

圖3 20meV范圍內(nèi)的低能量光學(xué)反射率的測定結(jié)果

研究小組研究結(jié)果顯示，在導(dǎo)電高分子中利用調(diào)整雜質(zhì)含量來對金屬的電子狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而可以開發(fā)出效率更高的熱電轉(zhuǎn)換元件。

資料來源：東京大學(xué)大學(xué)院新領(lǐng)域創(chuàng)成科學(xué)研究科官網(wǎng)