新型碳基纳米薄膜的热电输运及基底效应研究

Thermoelectric materials are functional materials with dual ability of electrical-thermal energy conversion, which are very important to saving energy and protecting environment. In recent years, a kind of new carbon-based nano-films including acetylenic bonds, graphyne(graphdiyne), have been obtained experimentally. Preliminary studies indicated that the new nano-films can be served as ideal thermoelectric materials. However, the studies about their electric and thermal transport especially thermoelectric properties are scarce. So, many important problems need to be analyzed systematically and discussed deeply. This project will carry out studies on the thermoelectric transport of this new carbon-based nano-films, by using the first principle, molecular dynamics and Green's function methods. By analyzing the effect of geometric form and size on the thermoelectric transport, the inner mechanism of thermoelectric transport will be clarified. We will study the tuning effect of absorption and doping on thermoelectric efficiency through and the effect of substrate on the thermoelectric properties, and then find ways to improve thermoelectric efficiency of this new carbon-based nanofilms, predicting high-efficiency thermoelectric devices and also providing models and reference for experiment.

热电材料是一种能实现热能和电能相互转换的功能材料，对提高能源利用效率和环境保护具有非常重要的作用。近年来，一种含炔键的新型碳基纳米薄膜——石墨炔被成功制备。初步研究表明这种新型纳米薄膜是一种理想的热电材料。但是，目前对其热、电输运特别是热电性能的研究还非常少，因此有诸多的问题需要做系统分析和深入探讨。本项目将结合第一性原理、分子动力学和非平衡格林函数方法，对这一新型碳基纳米薄膜的热电输运展开研究。通过分析几何构型、尺寸效应对热电输运的影响，阐明其内部热电输运的理论机制；通过研究吸附、掺杂等手段对热电转换效率的调控和基底对热电性能的影响，找到提高其热电效率的途径，预言基于这种新型碳纳米薄膜的高效热电器件，为实验制备提供模型和参考。

热电材料是一种能实现热能和电能相互转换的功能材料，对提高能源利用效率和环境保护 具有非常重要的作用。近年来，一些新型碳基纳米薄膜，如石墨炔，被成功制备。 初步研究表明新型纳米薄膜是一种理想的热电材料。但是，目前对其热、电输运特别是热电性能的研究还非常少，因此有诸多的问题需要做系统分析和深入探讨。本项目结合第一性原理、分子动力学和非平衡格林函数方法，对新型碳基纳米薄膜及相关结构的热电输运展开了研究，得到了一系列原创性的研究成果。我们研究了几何结构和尺寸效应对石墨炔热电输运的调控，譬如在石墨炔条带中嵌入金刚石状量子点结构，分析了量子点的尺寸和形状对热输运、电输运特别是对热电转换效率的影响；也研究了缺陷和掺杂对石墨炔条带热电转换效率的调控，分析了在石墨炔条带的边缘存在缺陷的情况下的热电转换效率。同时，我们也对其他碳纳米薄膜及相关材料的热、电输运及热电转换性能进行了研究，譬如：研究了折叠石墨烯、石墨烯/二硫化钼、石墨烯/二硫化钨、二硫化钼/二硫化钨等薄膜异质结的热电输运性质，在这些结构中找到了热电转换效率非常高的纳米薄膜异质结材料。另外，我们也对一些新型三维碳材料的电子性质进行了研究在其中发现了有趣的电子结构和拓扑效应。通过课题组成员四年的共同努力，取得了一系列的研究成果。到目前为止，在 Nano Lett.、Applied Thermal Engineering、Scientific reports、International Journal of Heat and Mass Transfer、Carbon、Scientific Reports、Nanotechnolegy、 J. Appl. Phys. 等国际材料、纳米、物理、化学期刊发表 SCI 论文 20 篇。研究成果受到了国内外同行们的广泛关注。同时，项目负责人于 2015年被评为教授，2016 年 11 月至 2017 年 11 月到美国罗格斯大学进行了一年的学术交流和访问，与美国院士 David Vanderbilt教授建立了合作关系，受益匪浅。培养博士研究生1人，硕士研究生7人。