有机分子尺度器件热电转换机理与性能调控

Molecular scale devices with high thermoelectric performance have just become the frontier and hot issue due to novel physical properties observed in them, and prospective and potential applications in the field of Nano Energy. In this project, based on the nonequillibrium Green's functions transport theory and the first-principles calculations, we will develop both physical models and computational methods, and investigate the thermoelectric conversion mechanism and approaches to enhance thermoelectric efficiency, and focus on (i) the theoretical explorations for the effects of the electron-phonon, phonon-phonon and spin-orbit interactions on the thermoelectric properties in molecular devices; (ii) the theoretical explorations for the origins of the Seebeck effect, and the relationship between Seebeck coefficients and electronic conductivity, and between electronic conductivity and thermal conductivity; and the coordinately regulated mechanism between these three factors and the thermoelectric properties of molecular devices; (iii) the design of the compound thermoelectric devices made of two and more unimolecular thermoelectric devices, where the quantum interference effect should be considered. Our goal is to establish a relation between microstructure and the thermoelectric properties，to explore novel thermoelectric conversion mechanism, and to design some molecular thermoelectric devices with novel structures and high performance theoretically.

具有优异热电性能的有机分子尺度器件在开发微纳新能源方面有重要应用前景，是国际上刚兴起的研究热点。本项目将以非平衡格林函数输运理论和第一性原理计算为基础，发展物理模型和计算方法，系统研究有机分子尺度器件热电转换机制及其性能调控。重点研究如下问题：（1）建立分子热电器件物理模型和计算方法：能处理电子-声子相互作用、声子-声子相互作用、自旋-轨道相互作用对体系热电性质的影响；（2）深入探索分子热电器件中Seebeck效应的起源和影响因素、Seebeck系数与电导率和热导率之间的关系；Seebeck系数、电导率、和热导率对体系热电性能的协同调控机制；(3) 由多个独立的单个分子热电单元通过热并联电串联方式构建组合热电器件，探索量子相干效应影响体系热电性能的因素。本项目旨在系统深入地揭示器件的微观结构与宏观热电性能的关系，探索新的热电转换机制，设计结构新颖、性能优异的有机分子尺度热电器件。

具有优异热电性能的有机分子尺度器件在开发微纳新能源方面有重要应用前景，是国际上刚兴起的研究热点。一些基本的科学问题如分子与电极（热库）耦合作用、声子-声子相互作用、电子-声子相互作用、自旋-轨道相互作用、分子之间量子相干作用对体系热电性能的影响仍有待系统深入的研究。无论从学术还是从应用角度，对有机分子尺度器件热电转换和热电性能调控机制开展研究是十分必要的。本项目以非平衡格林函数输运理论和第一性原理计算为基础，发展计算方法，对有机分子器件热电输运性质、热电转换机制及热电性能调控方法开展了系统深入的研究。本项目主要研究内容和获得的重要研究成果有：（一）推广非平衡格林函数方法，建立了能够处理多维度量子器件非谐声子输运问题的理论方法，并进一步推广到处理三维量子系统磁振子-声子耦合输运问题，开发了一套分子尺度器件热电输运计算程序；（二）针对有机分子尺度器件，系统研究了分子与电极（热库）耦合作用、电子-声子相互作用、声子-声子相互作用、自旋-轨道相互作用对其热电性能的影响，深入探索了Seebeck系数与电导率、电导率和热导率之间的关系，以及这些参数对热电优值ZT的协同调控机制；（三）研究了量子相干作用对复合分子器件热电性质的影响，并对如何利用这种量子相干作用增强体系热电性能进行了深入探索；（四）研究发现温度梯度可以诱导磁性分子结产生纯自旋极化电流，并发现纯自旋流能显著增强体系的自旋热电性能；（五）依据计算，设计了若干基于Seebeck效应的具有优异热电性能的分子热电器件；（六）探索了新型热电转换机制：从理论上提出了一种基于固体界面热泳与压电效应相结合的热电转换机制。数值计算表明，热泳效应驱动下的二维压电材料输出电压高达3V以上。总之，通过本项目研究，我们对有机分子尺度器件热电转换机制及其热电性能调控方法有了比较系统深入的认识。研究结果对有机分子尺度热电器件实际研发具有重要参考价值。