碲化铋-碲化铅和硅化镁-硅锗分段热电材料界面能量输运性质的研究

The proposed project aims to use first principle calculations and molecular dynamics simulations to uncover the segment interface-thermoelectric efficiency relationship of segmented thermoelectrics (TE). A segmented thermoelectric material takes advantage of the optimal thermoelectric efficiency of its segments at different temperatures, and it is more efficient than traditional TE materials in a broad temperature range. However, the interfaces inevitably introduced by the segments will have significant impact on the phonon and electron transport across the interface, thus limiting the overall thermoelectric efficiency. Taking Bi2Te3-PbTe and Mg2Si-SiGe as examples, this project will explore how interfaces formed by different crystal orientations of the segments affect the mechanical stability, thermal and electrical properties. The physical mechanism at play will be revealed, and the principles for optimising the interface structures will be proposed to tackle the major thermoelectric efficiency barriers.

热电材料能实现热能和电能的相互转换，是高技术新能源领域的关键材料，在热电发电和热电制冷方面具有广阔的应用前景。单一组分热电材料的热电效率随温度变化，其应用受到工作温度范围的限制。分段热电材料充分利用了各组分材料在不同温度下的热电效率，在较广的工作温度范围内比单一组分的热电材料具有更高的效率。然而，分段热电材料将不可避免地引入界面，其对声子和电子的传输有着很大的影响，进而制约着整体的热电转换效率。本项目以Bi2Te3-PbTe和Mg2Si-SiGe两种分段热电材料为研究对象，采用第一性原理计算和分子动力学模拟的方法，探索各组分材料沿不同晶向结合形成的界面对其机械稳定性、接触热阻和接触电阻的影响，确定出有利于提高热电效率的界面结构。揭示相关现象的物理机制，提出对界面结构进行优化设计的原则，以期克服界面对热电转化效率的不利影响，从而突破热电材料应用的瓶颈。

分段热电材料由两种或多种的热电材料组分串联组合而成，其比单一材料有着更高的热电效率，具有更大的应用前景。本项目以碲化铋-碲化铅和硅-硅化镁这两类分段热电材料为研究对象，结合分子动力学模拟和第一性原理的计算方法，系统地研究了分段热电材料界面结构与界面能量输运性质的关系。研究发现，Bi2Te3-PbTe不同晶向组成的二维异质结构中，PbTe晶向[100]与Bi2Te3晶向[210]组成的二维异质结构比PbTe[100]与Bi2Te3[110]组成的二维异质结构的界面热阻大，其主要原因在于界面成键密度、键合类型和界面结构的有序化对界面热阻具有重要的影响。在此基础上使用平衡态分子动力学模拟的方法计算了界面热阻较大和界面热阻最小的二维Bi2Te3-PbTe超晶格的热导率。使用分子动力学和第一性原理方法相结合计算得到Si-Mg2Si六种晶向组合的晶体结构、电子性质。通过计算获取电荷密度图、差分电荷密度图、电子态密度、电荷分布以及Mulliken分布等信息，确定了六种组合中界面机械稳定性最优的结构，计算了最优结构异质结界面的热输运与电输运性质，并进一步分析了界面结构与热阻和电阻的关系。最后，研究了具有表面螺纹结构的Si纳米线和具有螺型位错的SiGe纳米线热电材料的热传输性质，并分析了背后的热传导机制。