近期，Nano Energy（奈米能源）線上刊發了華中科技大學能源與動力工程學院楊諾課題組和光學與電子資訊學院張光祖課題組合作的題為“Electric-field-induced modulation of thermal conductivity in poly(vinylidene fluoride) (透過電場調控聚偏氟乙烯熱導率)”的研究論文。

調控材料的熱導率在微納電子器件、光電器件、電池、航空航天、能量利用等領域具有重要的意義。近年來，為了調控材料的熱導率，國內外科學家們提出了很多新穎的方式，例如利用奈米結構、機械拉伸和摻雜等。以上策略雖然調控效果顯著，但工藝較為複雜，同時也會對材料其他效能產生影響，因此應用範圍受到限制。

本文提出透過電場影響鐵電材料聚偏氟乙烯（PVDF）原子結構、從而對其熱導率進行調控的新方式。近年來不斷有透過電場對調控材料的光學、電學、磁學等效能的研究報道。這種調控方式具有響應快、能耗低、原位調控、控制靈活等優點。但其在熱效能調控方面還處於起步階段，如果能實現電場對熱導率的調控，將會有廣泛的應用前景。

圖 （左）極化前後聚偏氟乙烯熱導率隨溫度的變化，和相應原子鏈排布（模擬）；（右）室溫下極化前後聚偏氟乙烯熱導率對比（模擬和測量）

本文報道了電場對鐵電聚合物聚偏氟乙烯熱導率的調控。首先，透過分子動力學模擬，發現經過電場極化後，類晶結構的PVDF陣列三個方向上的熱導率均有提升，尤其是沿電場方向，增大比例最高可達3.25倍。其次，透過對半晶結構的PVDF薄膜進行實驗測量和模擬，觀察到極化後熱導率增大比例1.5倍。以上結果驗證了我們的新穎的導熱調控策略。

透過對原子鏈結構的形態學分析，發現透過電場極化可以增強PVDF分子鏈間排列有序性、緊湊性、和鏈間約束作用。透過聲子能量譜密度分析，得到上述形態上的改變降低了聲子非簡諧性、抑制了聲子散射、並提高了聲子群速度，從使得PVDF的熱導率增大。理論分析顯示，可以透過提高樣品的結晶度和分子鏈排列的有序性實現進一步提高調控效果。

本研究提出的調控策略廣泛適用於鐵電材料。此外，這種極化前後兩種不同的熱導率狀態，在熱儲存和熱開關器件等熱資訊領域也具有潛在應用。

華中科技大學能源學院楊諾教授和光電學院張光祖副教授為該論文的通訊作者，能源學院博士生鄧世琛、碩士生袁佳樂、光電學院碩士生林鬱儷為共同第一作者，合作者還有餘曉翔博士、馬登科博士、黃鈺文和季仁才同學。該工作得到了國家重點研發計劃和國家自然科學基金的支援。

論文連結：

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.105749