拓扑绝缘体人工微结构材料的热电效应与原型器件研究

It has been proved widely that the thermoelectric properties have been much improved in nano-scale materials. Meanwhile the unique properties of topological states in topological insulator pave the way for revolutionary progress in this field, as has also been demonstrated theoretically. By combining these two approaches, it is expected that we can further enhance the thermoelectric efficiency. In this proposal, we intend to grow high-quality topological insulator in nanoscale, especially thin-films and superlattice structures, by means of advanced magnetron sputtering system. The artificial structured films and superlattices will be characterized roundly and their electrical and thermal properties will be measured in our home-made systems. We also plan to explore the intrinsic relation between topological states and thermoelectric efficiency, which will make contributions in both basic research and energy applications. On the basis of theoretical models, we will design and fabricate artificial microstructures to improve the thermoelectric efficiency of topological insulators for the expected high-performance. At last, thermoelectric prototype devices will be fabricated for their extensive applications in the field of renewable energy resources.

利用纳米结构可以对热电材料的性能进行非常有效的改善，与此同时，理论上预计，拓扑绝缘体独特的电子拓扑特性对于热电材料性能的提升，也是一个可能的机遇。基于上述考虑，本项目拟主要利用磁控溅射方法，生长高质量的拓扑绝缘体薄膜和超晶格结构；基于理论分析，并通过系统的材料表征和热电性能测试实验，寻找拓扑态与热电性质的内在联系，建立拓扑绝缘体纳米结构的拓扑态电子影响热电性能的理论模型；在理论计算的基础上，并借助微加工工艺，设计和制备可能提高材料热电性能的人工微结构，以期最大限度地提高热电转化效率。最后，设计和制备具有高热电转化效率的热电原型器件，为拓扑绝缘体在热电领域的应用打下基础。

本项目主要借助磁控溅射、分子束外延等材料合成方法，制备高质量的拓扑绝缘体纳米材料及其热电原型器件，从理论和实验上研究拓扑绝缘体人工微结构材料的本征热电性质以及人工微结构对纳米热电材料的热电性能影响，分析表面态电子和量子限制效应对电子和热声子输运特性的调制作用，理解和实现玻色子体系中的量子拓扑现象，从宏观热/电输运性质及其变温特性来解析材料的微观动力学机制。通过本项目的研究，我们系统地掌握了以Sb2Te3为代表的拓扑绝缘体超晶格材料、纳米带结构、二维少层材料的制备工艺，能够制备高质量的WxMo1-xTe2合金、钴氧化合物、ZrSiS体系、SnSe热电材料等一系列的单晶材料，熟练掌握磁控溅射、分子束外延、化学气相输运和脉冲激光沉积等材料制备和生长工艺；自主探索并掌握了一整套用于测量纳米材料热电性质的原型器件的加工工艺，实现了一维纳米线/带、二维材料和薄膜材料的微纳器件加工，自主开发了时域热反射谱TDTR薄膜热导率测量系统、纳米材料热电性能测量系统和3ω测量系统这三套用于检测纳米材料热电性能的实验系统，对所生长的材料体系和器件进行了较为全面而系统的性能测试。在此基础上，结合玻尔兹曼热输运方程、第一性原理计算和声子散射动力学模型，通过宏观热/电输运性质研究了与之紧密关联的声子、电子输运机制，推算声子平均自由程、缺陷密度、格律奈森常量等反映材料热物理特性的物理学参量，进而分析了人工微结构中热载流子传输的动力学机制。同时，我们还将拓扑绝缘体中的研究拓展到声子、光子等玻色子体系，设计并实现了二维、三维声学拓扑绝缘体和全固态声子拓扑材料体系和集成器件。通过拓扑绝缘体中的人工微结构对热电性能影响的一般规律的研究，本项目为拓扑材料与热物理性质的关联提供了新的理论和实验结果。本项目共发表SCI论文14 篇，其中包括Nature Communications 2篇，National Science Review和Progress in Quantum Electronics综述文章各1篇，共申请发明专利11 项，其中已授权3项。