碳化硼纳米线的声子输运特性及在高温热电中的应用研究

Thermoelectric devices show a great potential for waste heat recovery by directly converting heat into electricity; however, to date their practical applications have been limited by their low efficiencies. Recently, several reports demonstrated significantly improved thermoelectric efficiencies by engineering thermoelectric materials into nanostructures, such as superlattices, nanowires, and nanocomposites, primarily through thermal conductivity reduction. Boron carbide is a class of high-temperature thermoelectric materials with complex crystal structures. Based on recent advances of thermoelectric nanomaterials, we know boron carbide nanowires may have enhanced thermoelectric performance through reduced thermal conductivity. However, the thermoelectric properties of low-dimensional boron carbide nanostructures have yet to be explored. The objective of the proposed research is to understand phonon transport in boron carbide nanowires through systematic measurements at individual nanostructure level combined with theoretical modeling for thermoelectric energy conversion applications. We will clarify the effects of carbon concentration, planar defect morphology, and nanowire diameter on thermal conductivities of individual boron carbide nanowires. Moreover, the electrical conductivity and Seebeck coefficient of boron carbide nanowires will also be measured in order to quantify their thermoelectric figures-of-merit. The proposed research will enhance our fundamental understanding on phonon transport in low-dimensional nanomaterials with complex crystal structures. It will also impact technology development through providing high efficiency thermoelectric materials.

热电器件可直接将热能转化为电能，在余热回收中有巨大的应用潜力，但目前受限于其较低的转换效率。近来研究发现，采用纳米结构，如超晶格、纳米线、以及纳米复合材料等，可大大提高热电转换效率，这主要归功于这些结构低的导热系数。碳化硼是一类具有复杂晶格结构的高温热电材料。可以预计，碳化硼纳米线具有更低的导热系数，因而可以得到更好的热电性能。然而到目前为止，还没有关于低维碳化硼纳米结构热电性能的研究报道。本项目以实验为主要手段，结合理论分析，对碳化硼纳米线的声子输运特性进行系统地研究，阐明碳含量、结构缺陷、以及纳米线直径等对碳化硼纳米线导热系数的影响。另外，为确定碳化硼纳米线的热电品质系数，我们还将测量纳米线的电导率及Seebeck系数。本项目的开展有助于揭示具有复杂晶格结构的低维纳米材料中声子的输运特性，推动高温热电材料的研究。

热电器件可直接将热能转化为电能，在余热回收中有巨大的应用潜力，但目前受限于其较低的转换效率。近来研究发现，采用纳米结构，如超晶格、纳米线、以及纳米复合材料等，可大大提高热电转换效率，这主要归功于这些结构低的导热系数。碳化硼是一类具有复杂晶格结构的高温热电材料。可以预计，碳化硼纳米线具有更低的导热系数，因而可以得到更好的热电性能。然而在开展本项目之前，文献中还没有关于低维碳化硼纳米结构热电性能的研究报道。本项目以实验为主要手段，结合蒙特卡洛模拟，对碳化硼纳米线的声子输运特性进行了系统地研究，阐明了碳含量、纳米线直径、结构缺陷、以及纳米线形貌等对碳化硼纳米线导热系数的影响。与文献中碳化硼块体材料的结果一致，我们研究表明碳化硼纳米线的导热系数随着碳含量的增加而增加，这主要归功于高碳含量碳化硼的原子结构更有序并且结构缺陷较少。对于较大直径的纳米线，由于声子边界散射的影响较小，所以导热系数更高。另外，我们合成的纳米线中发现既有轴向缺陷也有横向缺陷。与碳含量和纳米线直径相比，这些面内缺陷对纳米线导热系数的影响不大。更重要的是，我们发现弯曲纳米线的导热系数明显低于具有相同碳含量及直径的直的纳米线。例如，对于碳化硼纳米线，单晶无缺陷弯曲段的热阻可以达到相同长度直纳米线段热阻的30倍。分析表明这么显著的热阻可以归结于在弯曲段高度集中声子的反向散射及所需的声子传输模式转换的共同作用。有趣的是，我们还发现弯曲段的结构缺陷不但没有增加热阻，相反有助于声子在弯曲段的传输从而降低其热阻。这些研究发现提供了一种新的降低纳米线导热系数的机制：在纳米线中引入弯曲段。我们在本项目期间共发表SCI论文8篇，其中Nanoscale (IF 7.76) 3篇、Electrochimica Acta (IF 4.803) 1篇、RSC Advances (IF 3.289) 1篇、Applied Physics Letters (IF 3.142) 1篇、Applied Thermal Engineering (IF 3.043) 1 篇、Measurement Science and Technology (IF 1.492) 1 篇。迄今为止，这8篇文章共计引用16次。