2021年1月 07日，Nano Energy（纳米能源）在线刊发了华中科技大学能源与动力工程学院杨诺课题组和光学与电子信息学院张光祖课题组合作的题为“Electric-field-induced modulation of thermal conductivity in poly(vinylidene fluoride) (通过电场调控聚偏氟乙烯热导率)”的研究论文。

调控材料的热导率在微纳电子器件、光电器件、电池、航空航天、能量利用等领域具有重要的意义。近年来，为了调控材料的热导率，国内外科学家们提出了很多新颖的方式，例如利用纳米结构、机械拉伸和掺杂等。以上策略虽然调控效果显著，但工艺较为复杂，同时也会对材料其他性能产生影响，因此应用范围受到限制。

本文提出通过电场影响铁电材料聚偏氟乙烯（PVDF）原子结构、从而对其热导率进行调控的新方式。近年来不断有通过电场对调控材料的光学、电学、磁学等性能的研究报道。这种调控方式具有响应快、能耗低、原位调控、控制灵活等优点。但其在热性能调控方面还处于起步阶段，如果能实现电场对热导率的调控，将会有广泛的应用前景。

图 （左）极化前后聚偏氟乙烯热导率随温度的变化，和相应原子链排布（模拟）；（右）室温下极化前后聚偏氟乙烯热导率对比（模拟和测量）

本文报道了电场对铁电聚合物聚偏氟乙烯热导率的调控。首先，通过分子动力学模拟，发现经过电场极化后，类晶结构的PVDF阵列三个方向上的热导率均有提升，尤其是沿电场方向，增大比例最高可达3.25倍。其次，通过对半晶结构的PVDF薄膜进行实验测量和模拟，观察到极化后热导率增大比例1.5倍。以上结果验证了我们的新颖的导热调控策略。

通过对原子链结构的形态学分析，发现通过电场极化可以增强PVDF分子链间排列有序性、紧凑性、和链间约束作用。通过声子能量谱密度分析，得到上述形态上的改变降低了声子非简谐性、抑制了声子散射、并提高了声子群速度，从使得PVDF的热导率增大。理论分析显示，可以通过提高样品的结晶度和分子链排列的有序性实现进一步提高调控效果。

本研究提出的调控策略广泛适用于铁电材料。此外，这种极化前后两种不同的热导率状态，在热存储和热开关器件等热信息领域也具有潜在应用。

华中科技大学能源学院杨诺教授和光电学院张光祖副教授为该论文的通讯作者，能源学院博士生邓世琛、硕士生袁佳乐、光电学院硕士生林郁俪为共同第一作者，合作者还有余晓翔博士、马登科博士、黄钰文和季仁才同学。

该工作得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.105749 (更多相关研究请参考纳米传热实验室主页 http://nanoheat.energy.hust.edu.cn)