硒化合物热电输运各向异性及其能带调控

Semiconductor thermoelectric materials have broad application prospect in clean energy development, environmental protection, etc. At present, the big challenging task to enable the widespread use of thermoelectric devices is how to highly improve its maximum thermal-to-electricity conversion efficiency and simultaneously reduce the cost. Using multi-scale theoretical calculations, in this project, we aim to study the effect of dimension on anisotropic thermoelectric transport properties, revealing the physical mechanism between them. And then, we will present a program on the improvement of thermoelectric figure of merit (ZT) by band engineering. So, we first calculate electronic structure and interatomic force of selenide materials, and the electron and lattice thermal conductivity by multi-scale computation, which based on the nonequillibrium Green's functions, Boltzmann transport theory, and the molecular dynamics simulation. In addition, we will optimize the thermoelectric properties with band engineering by doping, alloying, nano engineering, surface modification and so on, trying to realize from the performance of thermoelectric material requirement to design reasonable material configurations, as to provide theoretical basis for the experiment.

半导体热电材料在新能源开发和环境保护等方面有着广阔的应用前景。目前限制热电材料大规模应用最主要的问题是热电转换效率太低而成本太高，寻找高效率低成本的热电化合物是近年来热电材料研究的核心问题。本项目旨在通过多尺度的理论计算，研究维度变化中电输运系数各向异性与热输运各向异性，揭示它们之间相互影响的物理机制，并通过能带剪裁设计，提出热电优值接近或大于3的硒化合物优化方案。具体是从第一性原理计算出发，计算硒化物热电材料的电子结构和原子间力常数，然后以非平衡格林函数和玻尔兹曼输运理论为基础，结合分子动力学方法，多尺度计算研究硒化物的热电输运性质。并通过掺杂、合金化、纳米工程、表面修饰等能带调控手段对材料的热电性能进行优化，力图实现从热电材料的性能要求设计出合理的材料构型，为实验提供理论依据。

二维WSe2及其异质结，在半导体、热电和铁电领域具有广阔的应用前景，本项目主要针对二维WSe2及其异质结的热电性质及其关联的电子结构、声子谱和量子输运性质进行了第一性原理计算研究。结果表明：（1）与MoS2相比，WSe2具有更低的热导率和更优良的热电转换效率；与锯齿型WSe2纳米带相比，扶手椅型WSe2纳米带具有更优异的热电性能，温度在500K时，扶手椅型的热电优值可达到2.2；（2）在外电场调控下，WSe2/MoS2双层异质结构能够方便得到狄拉克锥型的色散关系，也可以能带结构从II类对齐调控为I类或III类对齐，这将有助于通过调控能带结构而调控材料的热电性质；p-WSe2/n-SnS2范德华异质结的吸光范围大，兼具了光电材料和热电材料的特性，为进一步开发热电、光电混合发电器件提供了材料基础；WSe2基磁性异质结为III类能带对齐时，具有大的能谷劈裂，这有助于初步判断某种磁性材料是否能使TMDs产生大的谷劈裂，为实现材料的热电输运性质调控提供了电子结构基础；MoS2/InAs异质结构的层间电子有很强的耦合作用，增加界面杂化有利于弱层间相互作用的范德华异质结构的透射增强；（3）一价金属、氢及其离子在WSe2等硫族化合物中扩散、吸附行为将会极大地影响材料的热电输运性质；（4）单层单质Se和α-In2Se3不仅是性能优异的二维铁电材料, 还可能是拓扑热电材料；（5）d电子在有机硒化合物的稳定性、导电性和磁耦合中起到了重要作用，表明调控π-d共轭强度将是调控此类材料热电性质的关键。