纳米结构热电材料性能综合表征和微观物理机制研究

Thermoelectric conversion technique has promising applications in aerospace and waste heat recovery due to its excellent merits. However, the thermoelectrics are still limited by low conversion efficiency. Nanotechnology provides a new promising approach for developing high performance thermoelectric materials and development of nanostructured thermoelectric materials is becoming the frontier research and has been attracting intense interest. However, there are still two key problems to resolve: (1) It is difficult to comprehensively characterize the thermoelectric properties of nanostructured materials; and (2) it is lacking of fundamental understanding of carrier transport in nanostructured thermoelectric materials. The project aims at comprehensively measuring the thermoelectric properties of nanostructured materials, studying the influencing mechanisms of thermoelectric properties, and finally providing evaluation method and theoretical guidance for development of new nanostructured thermoelectric materials. By overcoming the difficulty of exactly imposing and measuring the small temperature difference and weak Seebeck voltage signal in nanoscale, a novel ac heating-dc detecting T type method will be proposed and the properties of the nanostructured thermoelectric filamentary material will be measured by applying the ac heating-dc detecting T type method from 80 K to 500 K, including Seebeck coefficient, thermal conductivity, and electrical conductivity. The carriers of the nanostructured thermoelectric materials, including electrons and phonons, will be excited and the subsequent ultrafast transport process will be probed by applying the femtosecond laser pump-probe thermoreflectance method, and the influencing mechanisms of properties of nanostructured thermoelectric materials will be explored.

热电转换技术以独特优势在航天航空和余热回收等方面应用潜力巨大，但能量转换效率低下成为主要制约因素。纳米技术的发展为提高热电性能开辟了新途径而成为国际研究的最前沿热点问题之一，其中两个关键难题尚未解决：（1）纳米结构热电材料性能难以精确综合表征；（2）纳米结构热电材料开发中的许多基础物理问题尚不明确。项目旨在开发具有原理创新的表征方法实现对纳米结构热电线材性能的综合表征，采用飞秒激光泵浦-探测瞬态热反射法揭示影响纳米结构热电材料性能的微观物理机制，为开发新型纳米结构热电材料提供评价手段和理论指导。项目拟攻克在极小空间施加和精确测量微小温差和微弱热电势的关键难题，开发具有原理创新的交流加热-直流探测T形法，在80-500 K区间综合测量纳米结构热电线材的性能；采用飞秒激光泵浦-探测瞬态热反射法实现对载能子的激发和超快输运过程的飞秒级时间分辨观测，揭示影响纳米结构热电材料性能的微观物理机制。

热电转换技术以独特优势在航天航空和余热回收等方面应用潜力巨大，但能量转换效率低下成为主要制约因素。纳米技术的发展为提高热电性能开辟了新途径而成为国际研究的最前沿热点问题之一，其中两个关键难题尚未解决：（1）纳米结构热电材料性能难以精确综合表征；（2）纳米结构热电材料开发中的许多基础物理问题尚不明确。项目开发了测量纳米结构热电线材性能的交流加热－直流探测T形法；综合测量了单根石墨烯纤维的热电性能，发现石墨烯纤维的热电性能优于已有文献报道的碳管样品。搭建了可用于研究纳米结构热电材料的飞秒激光泵浦－探测瞬态热反射系统，飞秒级时间分辨研究了碲化锌纳米薄膜中电子和声子在受限空间中的超快传输过程；采用包含电子弛豫过程和晶格加热过程的理论模型拟合实验数据，二者吻合很好，拟合得到10ps以内正振幅电子弛豫过程时间常数为0.75ps，为电子-光子相互作用引起的载流子扩散和带间载流子冷却过程；负振幅电子弛豫过程时间常数为0.61ps，是由缺陷造成的光激载能子的捕获效应引起的；晶格加热过程时间常数为0.86ps，主要通过电子-声子耦合过程进行。同时测量了时间尺度为100ps和4ns的热反射信号，综合研究了纳米结构热电材料性能及其中载能子的超快传输过程。采用飞秒激光泵浦-探测瞬态热反射法综合研究了纳米薄膜-沉积基底系统的热输运和热应力。上述研究结果共发表（已接受）SCI论文15篇，其中国际期刊14篇，包括Nanoscale（7.394），Carbon（6.196），International Journal of Heat and Mass Transfer（2.383），Journal of Physical Chemistry C（4.772）和Applied Physics Letters（3.302，2篇）等在纳米、碳材料、传热传质、物理化学和应用物理等领域有重要影响力的期刊上；共参加国际会议并做报告6人次，获得2012 年在日本长崎举行的第三届国际传热论坛“Best Presentation Award”；项目负责人受邀担任2014 年在日本京都召开的第15 届国际传热大会分会场主席。参加国内会议多次，在2014 年度国家自然科学基金项目研究进展交流会被选为口头报告。