纳米结构声子晶体热电材料的理论和模拟计算研究

Thermoelectric materials can generate electric power directly from the heat, which can be used in harvesting waste heat.The shortcoming of traditional bulk thermoelectric materials are the high cost and low efficiency (corresponding to a low figure of merit, zT). The Si nanostructures are much cheaper than the bulk thermoelectric materials (such as Bi2Te3), while the values of zT in some nanostructures are comparable with bulk. Although many works have been done, we are still far from having a recipe for nanoscale thermoelectric materials with a higher zT. The phononic crystals (PnCs) are constructed by a periodic array of scattering inclusions distributed in a host material (Fig.1). Due to its periodic change of the density and/or elastic constants, phononic crystals can increase phonon localizations, scattering and band gaps. Nanoscale PnCs provide an effective way to increase zT by reducing the thermal conductivity without affecting electronic property. Recently, we propose a nanoscale 3D Si PnC with spherical pores (Fig.2), which can reduce the thermal conductivity of bulk Si by a factor up to 10,000 times. In this project, we will study the transport property of phonons and electrons in Si PnCs, graphene PnCs and MoS2 PnCs. We use some widely used methods in research, such as molecular dynamics (MD) simulations, lattice dynamics (LD), non-equilibrium Green function (NEGF), density function theory (DFT) and Boltzmann equation. This proposal plan to implement some interesting works in the fundamental understanding and application of 2D and 3D PnCs in thermoelectrics.

热电材料能够实现从热能到电能的直接转换，可以将大量的废弃热能变为可利用的电能，从而节约能源。体块热电材料不仅成本高，而且转换效率也达不到产业化的要求。目前的研究显示纳米热电材料的热电转换效率不仅可以略高于传统体材料，而且仍有进一步提高的可能。声子晶体是一种新型的人工结构，通过人为设计由两种或两种以上材料构成的周期性结构（图1）。声子晶体通过声子局域化、禁带以及降低群速度等方式影响热的输运。我们最近的研究（图2）证明纳米结构声子晶体为提高热电转换效率提供了新希望。本项目建议系统地研究二维、三维声子晶体的热输运、电输运和热电转换特性，并挑选了具有代表性的纳米半导体热电材料（硅、石墨烯和二硫化钼）进行研究。研究方法选取世界上普遍接受并且我们熟练掌握的分子动力学模拟、晶格动力学、非平衡格林函数、密度泛函和玻尔兹曼方程等方法。力图在声子晶体的基础及应用研究上做出具有世界一流水平的原创性工作。

本项目在全新科研学科，“声子工程”，进行探索和创新。声子工程是利用微纳结构的声子器件，微观设计和调控热能输运、转换的学科。介电体中声子的有效调控有望为导热、散热、热电转换等问题提供解决思路。.本项目在声子工程基础和应用研究方面取得初步成果。基础研究内容包括： a. 热电转换能够直接将废热转换成电能，利用纳米技术提高其转换率；b.纳米热输运机理研究，将为深入理解纳米尺度热输运提供坚实的基础；c. 纳米结构热调控的研究，将为发展声子器件提供理论指导。应用研究内容主要包括：纳米材料对小型太阳能海水淡化/污水净化装置产量和效率的提高。研究成果利用绿色能源，进行淡水、净水制备，设备具有简单、小巧、低成本等优点，具有直接的社会价值和经济价值。.共发表国际英文期刊论文42篇，中文期刊1篇。其中，中科院一区8篇，二区19篇。3篇ESI高被引文章，7篇IF>10的论文：Nano Lett 2篇(IF:13.6)、JMCA（IF 10.7）杂志热点、Mat Tod Phys 2篇(IF:11.5)、Ren Sust Ener Rev (10.6)、Small (10.9)。封底文章2篇Nanoscale（IF 7.2），封面文章一篇ES M&M。参与两部学术专著编写。.获得奖励和项目：1) 2016 日本学术振兴会访问学者(短期，全球申请者约1/3获取）；2) 2017 国家自然科学基金委员会与日本学术振兴会合作交流项目（依附于本项目）；3).2018 PHNONONS 2018 & PTES 2018 国际声子学联合会议海报奖；4).2016 ASME美国机械工程师学会微纳尺度传热传质学术会议海报奖；5).2017 湖北省杰青项目；6).2016 华中学者（晨星岗）。.发明专利授权1项、受理4项，在电厂进行示范工程建设。.主持国际和国内学术会议各一次，在国际和国内学术会议做主题报告各一次和多次邀请报告。.研究成果通过新闻报道以及网站信息进行科普展示。培养博士毕业3人和硕士毕业11人。.