东京大学完整解析出导电高分子材料产生热电效应的原理

近日，东京大学大学院新领域创成科学研究科，连同材料创新研究中心（Material Innovation Research Center）、产业综合研究所/东大先端技术运算数测量技术创新研究所、物质材料研究机构国际纳米结构研究点（WPI-MANA）等研究小组声明，已完整解析出用导电高分子材料可以产生热电效应的原理。

研究小组研制出一种芯片温度计装置，该装置由数十纳米厚的高分子材料制成的薄膜，电阻加热器与经过校准的温度传感器，以及测量热电动势的点击探针组成。该装置可在长为100微米的范围内形成温度梯度，并同时统计电导率、电荷密度与塞贝克系数数值（图1）。

图1 左图为显微镜下的芯片温度计装置，右图为芯片温度计装置的温度梯度示意图

图2 左图为热电动势（塞贝克系数）的温度相关度，中图与右图是导电性高分子的电子显微镜图像

在室温到25K的低温范围内，利用高结晶度的导电性高分子薄膜来进行热电动势的测量。从结果来看（图2），可知塞贝克系数随温度升高成线性比例增加，这个结果与金属或简并半导体的情况一致。除此之外，霍尔效应与泡利顺磁性，以及德鲁德发射率的观测等，也满足金属或简并半导体所显示的电子特性。

以前采用的低结晶度的导电高分子在观测中并无上述情况发生，故可知金属的简并状态为热电动势生成的原因。用X射线来进行结构分析或利用电子显微镜观察可确认高结晶度。

研究小组证明，利用拥有金属性的电子在低能量状态下对电磁波进行反射的特性（德鲁德反馈）（图3），可以对材料进行简易筛选。

图3 20meV范围内的低能量光学反射率的测定结果

研究小组研究结果显示，在导电高分子中利用调整杂质含量来对金属的电子状态进行调节，从而可以开发出效率更高的热电转换元件。

资料来源：东京大学大学院新领域创成科学研究科官网