单分子量子体系热输运机理与声子调控

Thermal transport properties in unimolecular quantum systems have just become a forefront research topic due to prospective and potential applications in quantum devices. In this project, based on the nonequillibrium Green's functions transport theory, the first-principles calculations, as well as molecular dynamics methods, we will develop both physical models and computational methods, and investigate the thermal transport properties associated with phonons in unimolecular structures and devices； and focus on (i) the theoretical explorations for the coupling effects between molecules and environment on the thermal transport properties in system,and the mechanism of the thermal transports through the molecule; (ii)the theoretical explorations for the effects of the phonon-phonon and electron-phonon interactions on the thermal transport properties; (iii) the modulation of the phonon transport and thermal conductance by molecular engineering such as doping, molecular modification, molecular tailoring, and so on; (iv) the design of controllable thermal molecular devices such as thermal diodes and thermal transistors. Our goal is to explore at molecular or atom level the thermal transport mechanism in unimolecular quantum systems, and to design some thermal unimolecular quantum devices with novel structures and high performance theoretically.

单分子量子体系中的热输运性质是当前国际上刚兴起的前沿研究热点，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，结合分子动力学方法，发展物理模型和计算方法，研究单分子结构和器件中的热输运性质及其声子调控机制。重点研究如下问题：（1）从理论上合理描述分子体系与外界环境耦合相互作用对体系热输运性质的影响，以及热量通过分子传输的机理；(2) 从理论上探索声子-声子相互作用、电子-声子相互作用对体系热输运性质的影响；（3）通过对分子实施掺杂、分子修饰、和分子裁剪等分子工程调控体系的声子输运和热导性质; (4) 从原理上构筑热调控分子器件如具有热整流效应的热二极管和具有热开关和放大效应的热晶体管等，并从结构和外场对其性能进行有效调控。本项目旨在从原子、分子层次揭示单分子量子体系声子输运和热导机理，从原理上设计具有新型结构和优异性能的分子尺度热量子器件。

单分子量子体系中的热输运性质是当前国际上刚兴起的前沿研究热点，许多基本的科学问题如微观分子与宏观尺度热库之间的耦合作用、声子-声子相互作用和电子-声子相互作用对体系热输运性质的影响，以及热量通过分子体系传输的机理等重要的科学问题仍不是很清楚。关于热量子器件的研究仍处在原理性阶段，还有大量基础理论研究工作要做。无论从学术还是从应用的角度，对分子尺度结构和器件的热输运机理开展研究是十分重要的。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，结合分子动力学方法，发展物理模型和计算方法，研究单分子量子体系中的热输运性质及其声子调控机制。本项目主要研究内容和获得的重要研究成果有：（一）系统研究了量子体系声子传输和散射机制，建立了混合弹性-扩散声子热输运方程，该方程包含了声子-声子相互作用，能处理从低温到高温的量子体系热输运性质，能区分弹性和扩散声子输运对热导的贡献；运用非平衡格林函数方法推导出了微波外场扰动下量子点耦合系统电流发热公式，该公式包含了微波外场所带来的所有可能效应;（二）研究了石墨烯纳米带、石墨炔纳米带、纳米管、单个的有机分子等分子体系的声子输运与热导性质, 系统探索了声子-声子相互作用、电子-声子相互作用以及分子裁剪、引入侧基团等分子工程对其热输运和热电性质的调控机理；（三）系统探索了二维纳米带异质结和超晶格中的声子相干效应及其对热导率的影响，为热导率的调控提供了一种新的机制；（四）深入研究了纳米线中的声子传输性质，发现了一种新的热整流机制-声子驻波；（五）系统研究了量子体系热电转换机制，发现了一种不同于Seebeck效应的新的热电转换机理—通过热驱动压电效应，直接转化为稳定的交流电势；（六）设计了几种具有热整流和负微分热阻效应的器件模型。总之，通过本项目研究，我们对单分子量子体系中的热传输机制及其器件的性能调控方法有了一个比较系统深入的认识。