作為許多固態(tài)材料中的一種基本熱電現(xiàn)象，NernST效應(yīng)尚未在導(dǎo)電聚合物中被觀察到。這一知識(shí)對(duì)于揭示其難以捉摸的機(jī)制至關(guān)重要，而這些機(jī)制對(duì)于柔性光電子和熱電應(yīng)用也是關(guān)鍵。

然而，在朗道費(fèi)米液體理論框架中，NernST系數(shù)被證明與電荷遷移率成正比，在固有遷移率較低的無序聚合物中應(yīng)該可以忽略不計(jì)。

2025年2月7日，中國科學(xué)院化學(xué)研究所狄重安研究員和鄒業(yè)副研究員、英國劍橋大學(xué)Henning Sirringhaus在國際知名期刊Nature Communications發(fā)表題為《Observation of anomalously large Nernst effects in conducting polymers》的研究論文，馬英喬、Xinglong Ren為論文共同第一作者，狄重安、鄒業(yè)、Henning Sirringhaus為論文共同通訊作者。

狄重安，中國科學(xué)院化學(xué)研究所研究員。2003年本科畢業(yè)于曲阜師范大學(xué)，2008年獲中國科學(xué)院化學(xué)研究所博士學(xué)位，畢業(yè)后留所工作，歷任助理研究員、副研究員、研究員（2016）。工作期間曾到劍橋大學(xué)、斯坦福大學(xué)作訪問學(xué)者。

狄重安的主要研究領(lǐng)域?yàn)橛袡C(jī)半導(dǎo)體材料與器件，作為第一/通訊作者發(fā)表論文72篇，包括Acc. Chem. Res.、Nat. Electron.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、Natl. Sci. Rev./Chem. Soc. Rev.，所有論文被引用10000余次。

鄒業(yè)，現(xiàn)任職于中國科學(xué)院化學(xué)研究所。2010-2011年在日本九州大學(xué)訪問學(xué)習(xí)，2012年在北京交通大學(xué)獲得博士學(xué)位，2012年在中國科學(xué)院化學(xué)研究所從事博士后研究，出站后留所工作。

鄒業(yè)主要從事有機(jī)光電功能材料與器件研究，負(fù)責(zé)大型綜合研究系統(tǒng)建設(shè)，開展功能有機(jī)分子的物性表征及性能研究。

在本文中，作者通過觀察到一系列導(dǎo)電聚合物中出現(xiàn)了異常大的NernST效應(yīng)來挑戰(zhàn)這一觀點(diǎn)。特別是，這些摻雜聚合物的NernST系數(shù)比費(fèi)米液體預(yù)測(cè)值高出2-3個(gè)數(shù)量級(jí)，且具有負(fù)遷移率依賴性。這些有趣的觀察結(jié)果歸因于共軛聚合物固有的準(zhǔn)一維（1D）傳輸性質(zhì)及其獨(dú)特的化學(xué)摻雜機(jī)制。

該研究不僅為聚合物非費(fèi)米液體電荷傳輸性質(zhì)提供了實(shí)驗(yàn)見解，還揭示了這種特性對(duì)于其他準(zhǔn)1D材料和/或無序系統(tǒng)的普適性，并為開發(fā)橫向有機(jī)熱電應(yīng)用開辟了激動(dòng)人心的可能性。

圖1：Nernst效應(yīng)及其費(fèi)米液體理論

圖2：300 K下?lián)诫sPBTTT中的Nernst效應(yīng)

圖3：PBTTT薄膜中ALNE的摻雜水平和溫度依賴性

圖4：摻雜聚合物中負(fù)ALNE的機(jī)制

綜上，本研究首次在導(dǎo)電聚合物中觀察到異常大的Nernst效應(yīng)（ALNE），此前這一現(xiàn)象在許多固態(tài)材料中普遍存在，但在導(dǎo)電聚合物中尚未被發(fā)現(xiàn)。研究團(tuán)隊(duì)通過實(shí)驗(yàn)觀察了多種導(dǎo)電聚合物（如PBTTT、PEDOT: PSS等）在不同摻雜水平下的Nernst效應(yīng)，并探討了其背后的物理機(jī)制。

該研究不僅為理解導(dǎo)電聚合物中非費(fèi)米液體電荷傳輸機(jī)制提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)，還揭示了其在橫向熱電轉(zhuǎn)換方面的巨大潛力。這一發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)費(fèi)米液體理論在低遷移率材料中的適用性，為探索準(zhǔn)1D材料和無序系統(tǒng)的熱電特性開辟了新的方向。

本研究為開發(fā)新型柔性有機(jī)熱電材料提供了重要的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，有望推動(dòng)高性能、可穿戴熱電設(shè)備的發(fā)展，例如用于人體體溫發(fā)電、柔性電子設(shè)備的散熱管理等領(lǐng)域。此外，該研究還為設(shè)計(jì)和優(yōu)化基于聚合物的光電子和熱電應(yīng)用提供了新的思路和方法。

Ma, Y., Ren, X., Zou, Y.?et al.?Observation of anomalously large Nernst effects in conducting polymers.?Nat. Commun., (2025)