Nature Materials -分子间力驱动的各向异性策略来调控共轭聚合物的分子取向
2026-02-03 13:43:16, BNSM 布鲁克纳米表面仪器部(Bruker Nano Surfaces)
这篇文章发表在《Nature Materials》上，题为"Intermolecular-force-driven anisotropy breaks the thermoelectric trade-off in n-type conjugated polymers"，研究人员主要研究了一种通过分子间力驱动的各向异性策略来调控共轭聚合物的分子取向，从而打破了n型共轭聚合物热电性能中的电导率与Seebeck系数之间的反比关系。更关键的是，借助原子力显微镜-红外光谱联用技术（AFM-IR）等多尺度表征手段，在纳米尺度上直接揭示了掺杂剂与聚合物的相互作用机制，为高性能有机热电材料的理性设计提供了关键的实验依据。
AFM-IR在本研究中发挥了"化学指纹成像"的关键功能，实现了对掺杂薄膜微区化学成分的纳米级可视化（分辨率优于10nm），这是传统GIWAXS、AFM等形貌表征技术难以企及的。其贡献主要体现在以下三个方面：
研究系统比较了三种n型掺杂剂（N-DMBI、TBAF、TAM）对2DPP-2CNTVT薄膜的影响。通过识别特征红外吸收峰（如聚合物骨架在1670cm-1，N-DMBI在1552cm-1），AFM-IR双色成像清晰显示：
●N-DMBI（最优掺杂剂）在20mol%浓度下形成直径约111nm的纤维状结构，尺寸较纯聚合物（142nm）明显细化，表明其有效嵌入聚合物链间并促进有序重排；
●TBAF在40mol%时出现微米级聚集体，信号高度局域化，揭示严重的相分离行为；
●TAM分散均匀但域尺寸几乎不变（140nm），体现其"插层而不破坏本征结构"的特性。
该成像结果直观印证了HSP框架所预测的"掺杂剂-溶剂竞争作用"在纳米尺度的真实表现。
研究提出，N-DMBI通过"溶剂置换效应"诱导聚合物预聚集，从而提升edge-on取向比例。AFM-IR为此机制提供了直接证据：
●在氯苯溶剂中，N-DMBI与聚合物信号高度共定位，证实其分子级混合能力；
●结合GIWAXS数据，AFM-IR进一步确认edge-on取向增强与掺杂剂均匀分散同步发生，而TBAF则因相分离破坏结晶有序性，导致取向度下降。
AFM-IR成像定量揭示了不同掺杂剂对薄膜"结构有序化"的影响差异：
●N-DMBI在均匀分散的同时显著提升结晶度与edge-on/face-on比例（EFR）；
●TBAF虽可实现电荷转移，但其聚集行为导致结构无序，性能劣化。
这种化学异质性的量化分析，将纳米尺度组分分布与宏观热电性能直接关联。
AFM-IR技术在本文中的应用为研究掺杂剂对共轭聚合物薄膜的影响提供了全面而深入的视角。它不仅帮助研究者观察到掺杂剂在薄膜中的分布和聚集情况，还揭示了掺杂剂如何通过改变薄膜的微观结构来影响其热电性能。这些发现对于理解和优化有机热电材料的性能具有重要的科学和应用价值。
Bruker IconIR纳米红外光谱:
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