基于电声耦合构效关系的热电材料电热输运性能调控

The coupling between carrier and phonon is one of the intrinsic properties of materials, and plays a crucial role on the scatterings of carrier and phonon, and the application of thermoelectric materials. However, the thermoelectric society has paid limited research efforts on the intrinsic phenomenon. This project studies the electron-phonon coupling (EPC) in thermoelectrics. The structure-property (SP) relation between the EPC and the intrinsic characteristics of materials is the research focus, through the combination of theoretical calculations, experimental characterizations, and big data analysis. Based on the SP relation of EPC, the corresponding computational methodologies for electrical and thermal transport will be developed, and the performance of thermoelectric materials will be optimized via the scattering engineering. New thermoelectric compositions with high efficiency will be proposed and verified in experiments. This project will reinforce the understanding of the intrinsic EPC in thermoelectric society, and further optimize the thermoelectric performance of materials.

载流子与声子之间的耦合是材料内禀的物性之一，对载流子和晶格声子的输运散射过程以及以此为基础的热电转换材料十分重要。但在热电领域缺乏对这一材料本征现象的系统性研究。本项目将以热电材料中的电声耦合现象为研究对象，结合理论计算、实验精细表征及大数据应用，着重研究电声耦合及其等效参数与材料本身特性之间的构效关系。在电声耦合构效关系的基础上，发展相应的载流子和声子输运计算方法，利用散射调控对热电材料的电热输运性能进行系统寻优，设计高热电性能的材料并通过实验验证。本项目的研究工作将提升热电领域对这一材料本征散射过程的认识，在深刻理解电声耦合现象的前提下调控材料热电性能，具有重要的科学意义和实用价值。

理解材料中的电声相互作用相关问题，具有非常重要的科学意义，同时对于热电材料的设计也至关重要。本项目集中于电声相互作用及其相关研究方法的发展，同时开展了系统性的材料理解与设计工作。在精确电声相互作用方法方面，研究了ZnS(Se)和二维材料中的电声对电输运以及热导率的影响。主要发现了能带简并带来的谷间散射对于电性能的劣化作用，以及电声对于晶格热导率的降低作用，特别在高载流子浓度下二维PtSSe的电声对热降幅达到78 %。发展了电声相互作用的等效快速算法，考虑了散射相空间并用形变势常数近似代替精确电声耦合系数，在达到相近精度的前提下大幅度减少了计算时间。快速算法结合本项目开发的MIP-3d数据库(www.mip3d.org)，成功地开展了面向类金刚石结构热电材料的高通量筛选，并且与实验合作，发现了一类热电材料新体系Cd2Cu3In3Te8，其高温下热电优值ZT>1.0。发展了电声相互作用对于能带重整化的理论研究方法，运用于传统半导体材料(Si，C，MgO等)以及热电材料(CoSb3)的带隙温度相关性的研究，并探讨了温度变化的化学键成因。此外，在项目执行过程中，还发展了化学键能带投影以及声子重整化等一系列研究方法，均运用于Mg3Sb2这一目前热门的热电材料体系。这些方法均有助于未来其它热电材料的理性设计。