低维碳/铜硫族化合物复合纳米结构的构筑及其热电性能研究

Low dimensional nanostructured thermoelectric materials can enhance the state density around Fermi level by quantum confinement effect for increasing their power factor. Meanwhile, they can improve the figure-of-merit (ZT value) of thermoelectric materials and thermoelectric conversion efficiency of devices by increasing phone scattering and reduce lattice thermal conductivity. For enhancing the thermoelectric property of materials, this project will design and synthesize the low dimensional carbon/copper chalcogenides nanostructures by a facile room-temperature and high-speed copper chalcogenides growing method with certain morphology based on carbon-template. With keeping the nanostructure under spark plasma sintering, thermoelectric properties of low dimensional carbon/copper chalcogenides will be measured. Combining the excellent electric property and anisotropic thermoelectric property of low dimensional carbon materials with the intrinsic thermoelectric property of copper chalcogenides can improve the thermoelectric property of the whole composite structure. This project will provide a new method and theoretic proof for the research and development of high performance thermoelectric conversion device through investigating the relationship between the structure and thermoelectric property of materials by researching the synthesis and assembling skill of low dimensional thermoelectric materials.

低维纳米结构的热电材料，能够通过量子限制效应增强费米能级附近的态密度，提高材料的功率因子值，同时能够增加声子散射，降低晶格热导率，从而提高热电材料的热电优值和热电器件的转化效率。为最大限度优化材料的热电性能，本项目以一种室温快速合成方法，在低维碳模版上定向生长特定形貌的铜硫族化合物纳米结构，构筑出低维碳/铜硫族化合物复合纳米结构，在保持低维复合纳米结构形貌的同时将粉末压成块体，测试其热电参数。低维碳/铜硫族化合物复合纳米结构能够将低维碳材料优异的电学性能及各项异性的热传导性能与铜硫族化合物固有的热电转换性质相结合，以提高整体复合纳米结构材料的热电性能。本项目能够通过研究低维复合纳米结构热电材料的构筑以及组装技术揭示材料结构与其热电性能的关系，从而为高性能热电转换器件的研究和开发提供新的方法和理论依据。

低维铜硫族化合物复合纳米结构热电材料，因其高性能，可调的输运性质，高丰度和低毒性，被认为是很有前景的新型热电材料，引起了研究者的广泛关注。本项目利用高效、低成本的合成方法，设计制备出不同形貌结构的低维二元铜硫族化合物纳米结构及其复合结构。实验结果显示低维铜硫族化合物复合纳米结构热电材料能够将低维材料优异的电学性能及各项异性的热传导性能与铜硫族化合物固有的热电转换性质相结合，提高整体复合纳米结构材料的热电性能。本项目总结了近年来铜基热电材料的研究进展，系统地介绍了二元铜硫族化合物纳米结构的合成策略，纳米材料维度结构和化学计量比与材料性能之间的内在联系，以及它们在能源转换、能量存储和生物热疗方面相关的应用。针对目前铜硫族化合物热电材料的研究现状，分析如何提高二元铜硫族化合物热电性能的策略，包括提高材料的电输运性能、降低材料的热导率，以及未来需要攻克的难题，和二元铜硫族化合物热电材料从刚性向柔性器件过渡的前景。本项目成果创新性地提出：（1）设计合成了碳层包覆的硫化亚铜复合结构，碳层的包覆提高了该复合结构的电导率，同时硫化亚铜的相变降低了复合结构在高温区的热导率，此外，碳/硫化亚铜新界面层的形成改善了能量滤波和声子散射，从而整体提高了复合结构的热电转化性能。（2）采用了多尺度微米/纳米颗粒混合的方法合成了硫化亚铜复合结构，在不破坏粗晶连通性的情况下，硫化亚铜复合结构中混合晶粒的电导率会增加，而硫化亚铜的本征相变降低了复合结构在中温区的热导率，从而整体提高了复合结构的热电转化性能。本项目通过研究铜硫族化合物复合纳米结构热电材料的构筑以及组装技术揭示材料结构与其热电性能的关系，从而为高性能热电转换器件的研究和开发提供新的方法和理论依据。