有机/无机分子夹层对TiS2热、电输运性质的影响机理研究

层状结构TiS2具有准二维结构,有半导体和半金属特性,特别是它具有高热电势和大的热电功率因子,作为热电材料具有很好的开发和应用前景，但其较大的晶格热导使其热电性能较低。我们用金属元素夹层或者替代的方法使其热电性能提高到3-4倍。但是，金属元素夹层降低了热导，却又导致电荷浓度上升而引起热电势率的下降；元素的替代掺杂控制了电荷浓度却又引起热导率的升高。对此，我们将采用把电荷转移能力弱的无机分子或有机分子引入层中，利用分子在层间的"晃动"散射声子降低热导，同时利用替代或者夹层来控制主体电荷浓度，从而保持材料的高热电势以获得高热电性能。本申请项目着重研究并揭示各种夹入的有机/无机分子及其含量以及金属元素夹层(或替代)与有机/无机分子夹层协同作用对TiS2热、电输运性质的影响规律,为大幅提高其热电性能提供科学依据及指导性意见。

在该项目研究中，我们成功合成了有机/无机分子（尿素、氯化铁，锑化铟等）夹层TiS2化合物及元素（镍、镁、铝等）掺杂化合物，并研究了其热、电输运性质。研究表明：有机分子夹层大幅降低了材料的热导率，其中尿素夹层将TiS2的热导率降低了50%左右；无机分子锑化铟夹层大幅提高了TiS2的热电优值ZT，在室温附近将其ZT值提高到3.7倍；在镍、镁、铝等元素的掺杂实验中，我们发现镍、镁的掺杂都导致了TiS2由金属性导电行为到半导体导电行为的转变，镁的掺杂将材料的ZT值提高了60%，而铝掺杂样品的热电势得到大幅提高，达到了未掺杂样品的两倍，我们在镍、镁、铝掺杂样品的电阻温度关系时发现，在不同的低温区域，它们分别符合莫特二维跳跃电导。另外，在玻耳兹曼输运方程驰豫时间近似的框架下，研究半导体纳米复合物中电子的散射参数及塞贝克系数。我们提出了协同散射机制，即电子先后受到杂质离子和近邻电荷层的连续二次散射。通过把原子碰撞理论的多重散射几率的概念推广到输运过程，定义了协同散射的有效驰豫时间。结果表明，协同散射机制对提高纳米复合物中电子的散射参数，从而提高塞贝克系数起决定性的作用。相关研究结果已在Applied Physics Letter，Physics Review B，Journal of Electrical Materials，Journal of Alloy and Compounds等杂志发表论文13篇，受理发明专利1项。