基于渗流效应与界面效应的高性能热电复合材料的理论设计

热电材料在废热发电等方面有着广阔的应用前景。现阶段性能较好的热电复合材料多是在体相中形成纳米颗粒以降低晶格热导率，而在提升功率因子方面还需引入新的效应与物理机制。本项目旨在理论研究复合材料中渗流效应提升功率因子的物理机制，及其与界面能量过滤效应、两相共存效应协同作用的可能途径，并以此为基础设计出高性能热电复合材料。即采用基于玻尔兹曼输运方程、第一性原理计算与蒙特卡罗模拟多尺度相结合的方法，研究在复合材料中两相含量比变化时，Seebeck系数与电导率产生不同渗流行为的起因。并寻找使渗流效应、界面能量过滤效应、两相共存效应对热电性能影响最优的各项参数，如合适的界面势垒高度、两相输运系数比值、两相含量比等，最终获得满足上述最优参数的复合热电材料。项目主要以SrTiO3基复合材料作为研究对象，但所使用的方法与获得的结论可推广至其他体系，因此对高性能复合热电材料的设计与开发具有重要的意义。

热电材料在废热发电等方面有着广阔的应用前景。高性能的热电材料多为具有极低热导率的复合材料，其功率因子还有较大的提升空间。本项目围绕热电复合材料这一研究主题，从以下两方面进行了探索：（一）从理论角度探索了复合材料中提升其功率因子的可能机制: 1) 提出了在两相复合的材料中，在不考虑量子效应与界面效应的前提下，复合材料的功率因子可以增大3倍（与两相中具有较高功率因子的一相相比），需满足的条件是：一相的热导率和电导率远大于另一相，而Seebeck系数远小于另一相，且两相功率因子相近。采用文献中报道的热电输运系数的实验值，我们计算得出400K下CoSb3和ZnO的复合材料，其功率因子可以增大40%。2) 理论研究了复合材料中的量子限域与能量过滤效应。指出两类效应可以协同作用，并建立了可以同时实现两类效应的SrTiO3复合陶瓷模型，采用玻尔兹曼方程计算了其热电性质，指出功率因子可以增大4倍，且能量过滤在增强功率因子方面比量子限域效应更为有效。（二）探索新型的填充物和体相材料，以期获得更高性能的复合材料：1) 理论研究了纳米片作为填充相提升复合材料功率因子的可行性。基于玻尔兹曼方程的计算结果表示，纳米片的功率因子随着厚度的减小而减小，单层TiS2纳米片功率因子降低为体材料的1/3。其原因是随厚度的减小带边的能态密度增大，导致了载流子有效质量的增大而电导率的急剧减小。这表明在不考虑界面效应的前提下，很难通过复合纳米片的方式来增强复合材料的功率因子。2) 实验上寻找新的体相材料。采用传统的固相反应烧结方法制备了钛酸铜钙(Ca3CuTi4O12，CCTO)陶瓷并测试了其热电输运系数，指出小极化子在Cu-O网格中的变程跳跃是该类材料中主要的输运机制。在本项目的资助下，项目组共发表SCI收录论文12篇（均已标注），其中IF＞4的3篇；参加国际国内学术会议12人次，做国际会议分会邀请报告1次；培养博士生1名，硕士生2人。项目后期的一些结果还在整理发表中，将继续标注国家自然科学基金的资助支持。