石墨带基材料的热电性质研究

本项目从各种构型的纳米石墨带原子结构、电子结构和电热输运性质出发，研究石墨带材料的热电性质，探索新型高热电优值（ZT）材料的理论基础和技术途径。采用第一性原理和紧束缚分子动力学等方法，研究手性、尺寸、缺陷、掺杂及分子吸附等对纳米石墨带的电子结构和声子谱的调制。利用力常数模型及格林函数方法，探索应力、应变、卷曲等因素对不同尺寸和不同几何构型石墨带热、电输运性质的影响。利用非平衡格林函数方法，探索声子散射及电声子耦合效应对石墨带的热、电输运性质影响。选取不同的结构单元构造石墨带单胞，计算其电子结构及声子谱，分析其热电性能。最后，通过组装成石墨带结构超晶格及分区掺杂超晶格来提高石墨带的热电性能，全面探索新型高ZT值的石墨带基热电材料的制备及在纳米器件中的技术应用。

发展了一套研究石墨带基材料热电性能的DFTB计算程序，实现了第一性原理计算大尺寸石墨带基材料热电性质的路径和方法，并扩展到石墨烯及其他二维、三维体系。揭示石墨带热电性质与带的宽度和扭曲角度的关联以及悬挂键对石墨带电子结构和热电性质的影响。发现氮掺杂类六边形空洞缺陷（半径4.2-10A）石墨烯有理想的热稳定性、内禀强度和适当的发射谱，可作为超级电容器电极。发现了高压下石墨烯存在六角和立方金刚石混合晶相X-Carbon，对高压石墨下的多晶结构做出合理推断，解决了冷压石墨晶体相多年来的争议。通过两类多晶BN同素异构体（X-BNs 和 L-BNs），来阐述h-BN的高压相变结构，发现已有的两个同素异构体 pct-BN 和 Z-BN同属于L-BNs，预测X-BNs是一类宽带隙透明绝缘体。揭示ZnO、MoS2等纳米结构在横向电场作用下的带隙随外场增大而减小规律，实现能带结构的电场调控。