分子热电器件的理论和应用研究

The low thermoelectric conversion efficiency and fields of application development are major issues in present molecular thermoelectric devices. In view of these issues, based on density functional theory (DFT) and first-principles approach , we shall focus on the following research contents: (1) Finding the thermoelectric devices with high thermoelectric conversion efficiency by changing the electronic and geometrical structures; To achieve this purpose, we plan to employ the different functional groups replacing the partial atoms in molecular devices.(2) Electron-phonon interaction (EPI) is one of the more important and common physical phenomena in molecular devices. For this issue, we plan to write the thermoelectric self-consistent procedures of our own property rights with the help of quantum mechanical perturbation theory and DFT. On this basis, we will probe micromechanisms by investigating the effects of EPI on the thermoelectric effects of molecular devices.(3) Designing the thermoelectric devices with specific functions such as thermoelectric refrigerators and generators；Exploring their operating conditions and working principles, and how to characterize reasonable figure of merits of thermoelectric devices. Therefore, this project not only possesses scientific values of the basic research, but also owns potential application values.

目前分子热电转换器件面临的主要问题是较低的热电转换效率以及应用领域的开拓。鉴于这些问题，本项目将基于密度泛函理论，从第一性原理的角度围绕以下内容展开研究：（1）通过用官能团取代分子器件中的部分原子，来改变分子的电子和几何结构，从而对分子器件热电转化效率产生影响，寻找拥有较高热电品质因子的分子器件；（2）针对电子和声子相互作用是分子器件中比较重要和常见的物理现象之一，本项目拟结合量子力学的微扰理论和密度泛函理论，编写拥有自己知识产权的热电自洽数值计算程序，研究电子和声子相互作用对分子器件热电转化效率的影响，并探索其中的微观机制；（3）设计具有特殊功能的热电转换器件（譬如：分子热电制冷机和分子热电发动机），探讨其工作条件和原理，以及解决如何合理表征分子热电器件的品质因子的问题。因此该项目不仅拥有基础研究的科学价值，而且具有潜在的应用价值。

热电器件是一种可以实现热能和电能相互转化的功能器件, 然而由于目前传统三维热电材料的热电转化效率比较低， 如何设计出具有高效率的固态热电器件已经成为当今能源领域的主要课题之一。 其中量子受限系统由于具有非常明显的量子效应，以及较易的操控性，目前已经成为开发高效率固态热电器件理想平台。本课题根据研究计划并结合当前研究热点，基于格林函数方法并结合密度泛函理论研究了由量子点分子、过渡金属有机化合物分子，以及新型一维层状材料构成的固态器件的热电效应，主要关注如何提高固态热电器件的热电品质因子以及设计具有特殊功能的热电器件。 其中代表性成果包含以下三个方面：(1) 量子点与金属电极构成的分子热电器件的理论及应用研究。 利用外加磁场，我们获得了一个可以产生纯自旋流的量子点分子热电装置，这里电荷流为零; 该装置是由两个耦合量子点而形成的“人造分子”连接到金属电极组装而成。(2) 过渡金属有机分子构成的分子热电器件的理论及应用研究。 结果显示随着分子长度的增加，费米面处自旋向上的电导呈现出奇偶特性，而自旋向下的电导表现出指数衰减趋势。 随着长度的增加，其线性电导自旋极化率接近100%，表现出半金属性质。另外随着长度的增加，自旋向下的塞贝克系数单调增加，然而自旋向上的塞贝克系数在正值和负值之间存在明显的振荡行为。 这样在一定的分子长度下，其自旋热电效应强于对应的电荷热电效应。(3) 新型一维层状材料构成固态热电器件的理论及应用研究。 在石墨烯纳米带和碳链构成的热电器件中， 我们发现量子态之间的干涉效应可以引发Fano效应，并进而增加其热电性能。 总之该课题在国家自然科学基金的资助下，对多种低维量子器件的电荷和自旋热电效应进行了广泛的研究，并最终在如何提高固态热电器件的性能以及设计具有特殊功能的热电器件方面提供了切实可行的方法。