有机材料热电性质的理论研究

The study of organic thermoelectric materials is centered on the transport properties of both electrons and phonons. In this proposal, we will extend and develop charge carrier transport theory, and combine first-principles calculations to study thermoelectric properties of organic materials. The materials interested include organic molecular crystals and low-dimensional and nanostructured organic semiconductors. We will calculate the electrical conductivity, the Seebeck coefficient, and the electronic thermal conductivity, focusing on the effect of temperature, doping level, chemical modification, dimensionality and size on these electrical transport coefficients. Meanwhile, we will extract the lattice thermal conductivity from molecular dynamics simulations, and finally we predict the thermoelectric figure merit and the optimal doping level of the materials. The predictions are helpful in the search for highly efficient organic thermoelectric materials, and provide guidance to the experiments.

有机热电研究的核心问题是输运问题。在本项目中，我们将发展和完善有机输运理论，结合第一性原理计算，针对有机分子晶体和低维纳米体系，研究材料的电导、赛贝克系数和电子热导，及温度、掺杂等因素和化学修饰、尺寸效应等对电子输运系数的影响，同时采用分子动力学方法研究晶格热导，最终达到预测材料的热电优值及最佳掺杂浓度的目的，为实验上寻找高效的热电材料提供理论指导，希望能推动有机热电这一领域的发展。

热电材料可以实现热和电之间的直接转换，是一类清洁能源材料。近年来有机半导体特别是聚合物热电材料的实验研究取得了很大进展，在此背景下我们率先开展了相应的理论工作。本项目的研究内容包括有机材料热电输运理论方法的发展、有机分子晶体和低维体系热电性能的预测，以及掺杂等因素对聚合物热电性能的影响。取得的研究成果如下： .（1）在能带模型下，考虑Gamma点的声学声子散射，预测了C8-BTBT单晶的迁移率以及温差电动势随载流子浓度的变化。这一计算结果先后被剑桥大学Henning Sirringhaus和京都大学Shu Seki组的实验证实。在热输运方面，我们发现BTBT衍生物的长烷基链可以有效地降低晶格热导，从而提出通过引入长烷基链提高热电优值的方法。（2）采用玻尔兹曼输运方程，综合考虑声子散射和杂质散射的竞争，并结合第一性原理计算，定量考察了掺杂(抗衡离子Tos-)对p-型聚合物热电材料PEDOT中载流子运动的影响。（3）在能带模型下，实现了电-声耦合的第一性原理计算，对载流子的输运可以有一个定量而全面的刻画。（4）我们在能带模型下，考察了声学声子散射和带电杂质散射两种机制对CH3NH3PbI3迁移率的影响。在此基础上，我们研究了其热电性能，发现四方结构的CH3NH3PbI3热电性能比立方结构的好，p-型掺杂的四方结构CH3NH3PbI3在相变点330 K热电优值超过1，可能成为一类新型的热电致冷材料。我们进一步提出通过调控有机阳离子空位来实现有效的p掺杂。.我们的工作加深了对构性关系的认识，对有机热电材料的设计提出了指导性建议。