新型石墨烯分子器件热电性能及纳米界面上的输运过程研究

By attaching a single molecular to two grapheme nanoribbons a new class of thermoelectric devices, termed graphene-based molecular device, can be designed, which is found to reduce the high thermal conductivity of pristine graphene and meanwhile maintaining its high power factor. Due to its nanosize and fascinating performance, this type of device has intriguing future in nanoelectronic and thermoelectric applications. Currently, there are limited studies on the thermoelectric performance of graphene-based molecular device, and fewer on how the high electronic transmission rate and low phonon propagation efficiency emerge. In this project, the PI proposes to investigate the transport dynamics on the single-molecular nanojunction and the thermoelectric properties in a series of thermoelectric nanodevices constructed from various molecular types and different molecular sizes. Density-functional theory (DFT) and non-equilibrium Green's function (NEGF) will be adopted. The mechanisms underpinning structure-induced high power factor as well as low thermal conductivity in the novel devices will be explored. Thermopower, electronic conductivity, thermal conductivity and other related parameters will be obtained and possible rules will be presented. The outcomes from this project can serve to guide the design in novel thermoelectric molecular devices.

石墨烯具有巨热电效应，利用单分子连接石墨烯带设计的分子器件可以在降低纯石墨烯高热导的同时又保留高热电功率因子，已成为石墨烯器件设计的一个新方向。本项目主要采用基于密度泛函理论的第一性原理和非平衡格林函数方法，分析由石墨烯和不同连接单元组成的新型分子器件的热电性能参数和纳米连接点上的输运动力学过程。从计算中获取界面处不同原子成键结构、电子结构、带隙、费米能级移动、声子散射等，研究结构中纳米界面上的电子和声子输运过程和迅逝波的耦合效率，分析各因素之间的相关性及其对热电功率、电导和热导的影响，探索分子结构和界面诱导下高功率因子低热导的形成原因，获得不同构型下热电性能参数的变化规律，为面向热电应用的新型分子电子器件设计提供理论基础。

由石墨烯裁减或是石墨烯与小分子组合成的新构型不仅扩展了尺度，还带来了多种新奇的功能。在本项目中，我们利用已有的材料物性计算软件加上自编的程序，研究了受限石墨烯带器件、石墨烯反点格、石墨烯分子器件三类结构的热输运和电输运特性，探讨其热电性能。在受限石墨烯纳米带结构中，我们设计了碳纳米管和石墨烯带组合分子器件，研究局域应力对石墨烯带的热输运和电输运的影响。采用非平衡态分子动力学方法研究体系的热传导，采用傅立叶定律计算热导率。在这种纳米按压构中存在三种畸变晶格，引发类边界散射效应。声子谱的计算表明其色散曲线峰位红移，54THz特征峰加宽。界面Kapitza传导率下降2个数量级以上。在1~2nm的按压深度下，热导率下降20%以上，随纳米按压程度加深热导率进一步下降。因而，这类器件可以通过监测热导率探测纳米级的微小位移量。在电输运方面，局域应力场对电输运影响远小于其对热输运的影响。因而这类结构可望具有较好的热电应用前景，相关的性能参数仍待优化。规则石墨烯反点格结构具有较好的热电应用前景，其能带结构中存在多个输运沟和输运峰，同时，反点格引入的缺陷散射极大地降低了体系热导，对(10,6)GAL其热导率下降到数十个W/mK，因而可望具有好的热电应用前景。对于实际制备的石墨烯反点格，往往具有多种无序化缺陷。我们采用紧束缚模型和Kubo-Greenwood方法进行输运计算，在强缺陷下，反点格的能带带隙消失，但是Anderson局域化引起的输运带隙却变得更加明显。输运带隙大小与反点格半径及面积相关。该结构的电输运能力大大下降，然而热导率同时也大幅下降，两者的综合影响还有待进一步分析。在石墨烯与类BDT、C18、C10等分子组成的分子器件中，分子连接点的引入极大地阻隔了热流输运，而电子波仍可以消逝波的形式注入到分子连接点内。我们采用了非平衡格林函数和第一性原理结合的NEGF-DFT方法进行分析。通过保持共轭面的平行，可以大幅度提高电子波注入效率，调节分子长度，使得两电极间的消逝波拖尾在分子连接点中强耦合，可以使得电输运曲线在费米能级附近产生强共振峰，提升热功率。对三种分子连接构型的计算分析表明，其赛贝克系数在300K室温下费米能级位移0.5eV以内，峰值可达数百到上千uV/K。同时，体系声子输运被大幅压缩，室温下三个体系的热电优值都可以达到~0.5，表现较佳。相关进一步研究有待继续开展。