氧化锌基纳米复合高温热电材料热导及热电性能调控的研究

ZnO is a promising thermoelectric materails for high temperature because of the excellent chemical stability at and high charge carrier mobility. However, the lattice thermal conductivity of these materials is high and then the figure of merit of ZnO is hard to improve.The use of ZnO as thermoelectric materials is confined. Nanocomposite has been shown to be an effective way to decrease lattice thermal conductivity and then improve thermoelectric properties. The objective of this research is to synthesze ZnO-based inorganic-organic nanocomposites (nanojunctions) with high thermoelectric properties. Due to the large mismatch of lattice vibrational spectra between inorganic molecule and organic bulk materials in nanocomposites, the scattering of phonons across a broad wavelength spectrum was enhanced. This suppressed the lattice thermal conductivity of the nanocomposites significantly. Because of the difference of electronic structure between inorganic molecule and organic semiconductor, the Seebeck coefficient and electric conductivity may be improved by modifying inorganic molecule dispersing state and content, structure properties of heterojunctions, and band structure of organic semiconductor and inorganic molecule. The relationship of thermoelectric properties of nanocomposites and inorganic-organic heterojunction effect, compatability of inorganic and organic, and content of inorganic molecule is studied through experiment and theory. Through the research of ZnO-based inorganic-organic nanocomposite materials, the experience of syntheszing high perfomance nanocomposite oxide thermoelectric materials is gained.

氧化锌（ZnO）高温化学稳定性好，载流子迁移率和热电功率因子高，是极具潜力的高温热电材料。然而较高的热导率阻碍了其热电性能的进一步提升，限制了ZnO的推广应用。本项目拟在ZnO中引入弥散导电聚合物纳米颗粒，以导电聚合物与ZnO之间形成的大量有机-无机纳米异质结（纳米结）界面为基础，设计、制备纳米复合热电材料。利用有机分子与无机材料之间较大的原子/晶格振动差异，降低声子导热；通过调节纳米结的结构特性、含量及分布，提高纳米结界面热阻；利用有机分子和无机半导体在电子结构上的本质差异，通过调节纳米结界面各组份的电子能带/能级结构的匹配性，提高赛贝克系数；从而最终制备出高转换效率的有机-无机纳米复合热电材料。从实验和理论两方面探索复合材料的交互作用、相容性和配比与热导及热电性能之间的关联规律，为设计合成此类高性能热电材料提供相关的实验和理论依据。

热电材料是将热能和电能相互转换的材料。利用热电材料制备的器件具有体积小、可靠性高、不排放污染物质、适用温度范围广等特点，作为特殊电源及高精度温控器件在空间技术、军事装备、IT 技术等高新技术领域获得了广泛应用。氧化锌（ZnO）高温化学稳定性好，载流子迁移率和热电功率因子高，是极具潜力的高温热电材料。然而较高的热导率阻碍了其热电性能的进一步提升，限制了ZnO 的推广应用。本研究以PPP纳米复合金属掺杂的ZnO热电材料合成及其热电转换性能为研究对象，通过机械合金法和溶胶-凝胶法制备了一系列聚对苯撑(PPP)纳米复合M-ZnO(M为Ag、Ni、Co等金属)热电材料。通过选取不同制备方法和控制制备条件，在无机ZnO块体材料中，引入具有不同尺寸、分布、结合强度和结合面积的纳米结构的有机成分，使材料中形成大量的有机-无机纳米结。利用单个有机分子与无机块体材料之间较大的原子/晶格振动差异，降低声子热导率；通过改变M-ZnO材料中M的种类和组份，达到调整无机材料能带结构，以实现和聚对苯撑的分子轨道能级相匹配，提高复合材料的功率因子，从而制备出具有高热电转换效率的有机-无机纳米复合热电材料。通过实验研究探讨了不同制备条件下，机械合金法和溶胶-凝胶法制备的具有不同分布和纳米结结合状态的有机-无机纳米复合热电材料，对热电材料热导率和热电性能影响规律；形成了纳米结效应与热导率降低之间的关联性规律；验证了纳米结两侧的纳米有机材料的离散轨道能级导电与无机半导体的连续能带导电的本质上的差异，具有等同于态密度扭曲甚至是理想化的单能级导电的输运特征，有利于提高赛贝克系数和功率因子。理论研究了半导体量子点两端连上有机物引线（lead）组成的新型有机无机复合纳米结中的热电输运性质。发现有机物和半导体量子点的能带不匹配导致尖锐的载流子态密度，使得Seebeck系数大大提高。同时通过调整半导体量子点的尺寸、半导体有机物的耦合系数和化学势等参数，有利于电导率的增加。这一研究为该类热电材料在能源利用系统中的应用提供重要的应用基础性科学依据，同时也为更好的理解目前广泛应用的有机-无机界面的热和电传输特性奠定基础，具有明显的基础理论意义和重大的实际应用价值。