低维材料电子/声子热输运特性的量子分析

Low-dimensional materials have demonstrated extraordinary thermal, electrical and optical properties due to the size and quantum effect of their crystal structures. It is a key issue to accurately predict the thermophysical properties of low-dimensional materials for their applications in the areas of thermoelectric conversion, photoelectric conversion and sensors. And it is of scientific significance and practical value to perform related investigations. The density functional theory (DFT) combined with nonequilibrium Green's function method (NEGF), both based on quantum mechanics, are used to study the thermal transport of electrons and phonons of low-dimensional materials totally from first principles. The transport mechanisms of electrons/phonons and anomalous non-Fourier conduction of one-dimensional systems are investigated by modeling the thermal transport of typical low-dimensional metallic conductors and semiconductors, such as gold nanowires/membranes, silicon nanowires/membranes and carbon nanotubes. The thermal transport properties and models for predicting the thermophysical properties of low-dimensional materials are finally to realize. The computational results are also compared with related experimental data. Besides, according to the theoretical analysis of the electronic and phononic transport, high-performance thermoelectric materials are fabricated based on the titanium dioxide nanotube arrays (TNTA), which is very useful for further industrial applications.

低维材料由于其晶体结构的尺寸效应及量子效应而表现出优异的热学、电学及光学等物理性能，对其热物理性质准确预测的研究是其应用于热电转换、光电转换、探针等领域的关键课题之一，开展相关研究具有重要的科学意义和实用价值。本项目将采用基于量子力学的密度泛函理论结合非平衡格林函数的、能够有效描述低维材料电子/声子热输运性质的第一性原理计算方法，以金纳米线及薄膜、硅纳米线及薄膜、碳纳米管为典型的金属导体、半导体等低维材料，揭示其电子/声子分别对热输运特性的作用及非连续性介质中量子力学的作用机理，分析一维材料体系的非傅里叶导热问题，获得低维材料的热输运规律及热物性预测模型，计算结果与相关实验结果进行对比；根据半导体薄膜材料热/电物理性质的分析结果及其导热/导电特点，进一步设计高效热电材料及其优化结构，获得理论与实验相符的以二氧化钛纳米管阵列薄膜为主体的高性能热电材料，为实际应用提供科学依据。

项目发展了两种基于量子力学基本原理的计算低维材料电子/声子热电输运的方法：DFT-NEGF和DFTB-NEGF，分别研究了石墨烯、石墨炔、石墨炔纳米管、过渡金属硫系化物的热电输运特性，取得以下成果：.(1).发展了两种计算低维材料电子/声子热电输运的方法：DFT-NEGF和DFTB-NEGF。采用DFT+NEGF对比研究石墨炔、石墨烯的热电输运特性,计算得到的石墨烯的声子热导和Seebeck系数与实验数据相符，对比石墨炔和石墨烯的电导、热导、Seebeck系数以及热电优值ZT，发现石墨炔的热电性能要明显优于石墨烯。采用DFTB+NEGF研究石墨炔纳米管的热电输运特性。相对于石墨炔，石墨炔纳米管由于弯曲效应，其带隙打的更开，声子的热导变得更小，Seebeck系数更大。.(2).石墨烯在六方氮化硼基底上的热输运特性研究表明，氮化硼与石墨烯的相互作用使得石墨烯的热导在低温区下降的比较大，发现基底只影响石墨烯的ZA声学支声子。采用DFT+NEGF方法研究了石墨烯在碳化硅基底上的热输运特性，以2G/4SiC为研究模型，研究了第一、第二石墨烯层在四层碳化硅的硅端面(0001)上的热传输特性,与基底直接接触的石墨烯层的热导受到很大的抑制，其室温下的热导降低为35~42%。.(3).采用DFT+NEGF方法系统研究了过渡金属硫系化物系列（MoS2、WS2、MoSe2、WSe2）的弹道热电输运性质（二维单层和纳米管），计算发现具较低的热导和较高的ZT值，四种系列一致性规律表现为：热电性能：单层>(10，0)>(6，6)；电子带隙：单层>(10，0)>(6，6)；声子热导：(6，6)>单层>(10，0)。扶手椅形二硒化钨纳米条的最大热电优值接近2.2，其性能来源于条带边缘的不规则效应而导致的结构重整。.(4).完成了石墨烯片制备及其在导热领域的应用研究，发展与改进原有膨胀超声剥落法，实现克级及高品质石墨烯片的制备，有效制备了石墨烯/环氧树脂导热胶粘剂。.本项目已发表研究SCI论文10篇，国内核心期刊论文1篇，会议论文7篇，获得授权中国发明专利3件，公开中国发明专利2件。参加国际学术会议7次，国内学术会议6次。已出站博士后1名，已毕业博士研究生2名，已毕业硕士研究生1名。