低维纳米材料的热电性质研究

Thermoelectrics are very important in energy- and environment-related issues due to their ability in converting heat to electricity. Because of their unique thermal and electrical properties, the low-dimensional materials have became a research hotspot in the field of thermoelectric materials recent years. However, due to the difficulty in property test, the development of low-dimensional thermoelectric materials is restricted.This project intends to adopt the method of chemical vapor deposition to achieve controllable growth of one-dimensional nanowires and two-dimensional nanofilms. Based on MEMS thermal bridge measurement system, we can measure the thermal and electrical properties of material more accurately at the same time. Further, the influence of phonon motion on the thermal conductivity and the corresponding electrical properties of nanomaterials in different sizes can be studied.Therefore, in this project, through a combination of the advantages in both electrical and thermal conductivity, low-dimensional thermoelectric materials can be expected better thermoelectric properties than block materials, expanding the scope of thermoelectric studies.

热电材料可以实现热能与电能之间的直接转换，在能源和环保方面具有十分重要的应用。低维纳米材料由于其尺寸效应带来的独特的热学与电学性质，近年来成为热电材料领域研究的热点。但是由于测试技术较为复杂，制约了低维热电材料的发展。本项目拟采用化学气相沉积的方法进行一维纳米线、二维纳米薄膜材料的可控尺寸生长，且基于课题组已搭建成功的MEMS热桥测量系统，可以较为准确的同时测量材料的热学与电学性质。从而能够更加基础地研究不同尺寸纳米材料中声子运动对导热系数带来的影响及相应的电学性质的变化。因此，在本项目中，通过结合低维热电材料在电学和热学两方面的优势，可以预期得到比块体更加优异的热电性能，为热电领域研究拓宽思路。

日益增长的电子器件功率密度与能源消耗需求，对能量使用与管理提出了更高要求。热能作为一种重要的能源形式，在我们生活中占据着重要地位。生产生活中约有百分之七十的能量最终会以热能的形式耗散，因此对热能的回收利用至关重要。低维热电材料由于其在热电转换应用中的巨大潜能引起人们研究兴趣，为了对低维材料热电性质有更深入的理解，对于洁净的样品转移方法与测试精度提出了更高的要求。本研究针对低维材料热电性质的调控研究，从高质量样品生长、洁净转移、精确测试等方面开展了一系列研究工作。本研究发展了一种乙醇辅助的二维材料转移方法，此方法具有洁净转移和精确定位的特点，优于传统的转移技术，可以用来构建不同的二维堆叠结构，实现范德华异质结和悬空器件的样品洁净精确转移，为后续性能测试研究奠定基础。本研究中的主要热电性能研究均采用自主成功搭建的单体低维纳米材料热导率和热电性质测试系统，利用差分电桥和交流调制加热的技术提高了温度分辨率以及热导分辨率，实现了皮瓦每开尔文数量级的热导分辨率。并在此基础上进一步开发了透射电镜原位热学测试系统，可以同时完成结构加工、性能测试与结构表征，为纳米尺度热电研究提供新的方法。本研究通过第一性原理计算指导实现了Bi2O2Se纳米薄膜的垂直生长。该方法作为一种普适性生长机制，可以推广到更多的二维材料生长，为二维材料的可控生长与器件搭建提供新的路径。同时结合结晶转移与高精度热桥测试方法，第一次系统地从实验和理论上分析了二维Bi2O2Se的相关热电性能。同时利用空位工程策略调控了Bi2O2Se与二维碲薄膜的热电性质，使其热电性能大幅提升。该类简单易行的性能优化方式，可以推广到更多的二维热电材料体系中。并且基于微纳材料结构的热学调控与光谱调控，在光热转换与辐射制冷领域也取得了一定进展，拓展了应用场景。综上，本项目开展了从高质量样品生长、洁净转移到精确测试等全链条的低维材料热电性能研究，发表相关SCI7篇，申请授权相关发明专利1项，培养或协助培养博士生2人，硕士生3人。