电声相互作用对分子结热电输运性质的影响

In linear transport regime, the dimensionless factor ZT=S^2 G T/K summaries the thermoelectric property of a material. Here S, G and K are the Seebeck coefficient, electrical and thermal conductivity, respectively. Zero-dimensional materials, like molecular junctions, are ideal candidates for thermoelectric applications,because it is possible to tune these transport coefficients independently in these structures. A great deal of effort has been focused on the optimization of these linear coefficients. But all the thermoelectric devices work in the nonlinear transport regime. It is not obvious that ZT alone can describe the thermoelectric efficiency of the device. On another aspect, in the presence of both temperature and voltage bias, nonequilibrium transport of electrons and phonons are coupled due to their mutual interactions. This will not only affect the aforementioned coefficients, but it will also introduce new transport mechanism, like electron or phonon drag effect. Experimental or theoretical study on this problem is rare. In this project, we will develop a nonequilibrium transport theory, including the electron-phonon interaction, to study these problems in molecular junctions. Through this study, we expect to gain more insight into the nonlinear thermoelectric transport properties in these low-dimensional structures.

在线性输运情况下，材料的热电转换效率可以用ZT=S^2 G T/K来描述，其中S, G和K分别是材料的Seebeck系数，电导率和热导率。零维分子结结构是理想的热电材料，因为我们可以对以上参数进行相对独立的控制。当前的实验和理论研究着重于对这三个线性输运系数进行优化，但实际的热电器件都工作在非线性、非平衡态下。这时，器件的热电转换效率是否能够完全由ZT来描述仍有待研究。此外，同时存在温差和偏压情况下，非平衡电子和声子输运由于它们的相互作用而产生耦合。这一耦合不仅会对各自电导、热导产生影响，也会引入新的输运机制，比如电声子的相互拖曳效应。对于分子结结构中电声拖曳效应的研究几近空缺。本项目拟针对分子结器件，基于包含电声子相互作用的非平衡输运理论，对以上提及的问题展开从理论模型到第一性原理计算的多层次研究，以其进一步加深对低维体系非线性热电输运性质的理解。

当今社会，经济的飞速发展使得我们对能源的需求越来越高。与此同时，我们所使用的能源却有一半以上以热的形式浪费掉了。热电材料的发展使得重新利用这些废弃的热能成为可能。近年来，人们对于材料热电效应的研究正是在这样的背景驱动下取得了许多新的突破。本项目重点研究，在非平衡输运下，电声相互作用对单分子结热电输运性质的影响。主要研究内容及结论如下：（1）给出了最低阶近似下，电声相互作用对分子结电导、热导及Seebeck系数修正的理论公式，并把它应用到模型体系中研究了不同热电输运系数的参数依赖关系。（2）考虑了非平衡输运下，电子和声子的相互拖曳行为对电、热输运性质及结构稳定性的影响。研究发现，即使在没有平移不变性的体系中，电声子的拖曳效应也会对其热电输运性质有一定的影响，对其结构稳定性有重要影响。（3）考虑了在共振隧穿情况下，单分子结中的非弹性电子隧穿谱（IETS）线型与电子结构的关系。发现IETS线型的变化与电极费米能级和分子轨道间的相对能量位置有密切关联，基于这一结果与实验小组合作研究了同位素效应对单分子水振动谱的影响，以此推测出同位素效应对单分子水中氢键强弱的影响。(4)研究了π-π堆叠的分子晶体Bis-Dithienothiophene的热电输运性质，根据研究结果提出了可以利用体材料中的低维电子能带来提高材料热电转换效率的新思路，为寻找新型高效热电材料开辟了新道路。