掺杂和插层共作用下层状热电材料性能调控及电声输运过程研究

Layered structural TiS2 can be an important thermoelectric (TE) material by modifying its specific structures. It has half-metal and metal characteristics, higher Seebeck coefficient and power factor. However, higher thermal conductivity is presented in the inner rigid 2D plane of TiS2 where the phonon is easy to transmit. Consequently, with the rising of temperature, the figure-of-merit is low due to the higher thermal conductivity and decreased power factor. This project is aimed at adjusting the thermoelectric properties from the two spatial dimensions of inner and outer layer of TiS2. Subsequently, according to the analysis of crystal structure, microstructure, electrical and thermal properties, the changes of TE properties with doping and intercalation are investigated. Finally, the inner scattering mechanism of TiS2 with doping and intercalation are analyzed by considering the preparation process, microstructure, internal carrier and phonon transport process. Corresponding results can provide scientific experimental and theoretical research for the promotion of thermoelectric properties of layered structural compounds.

TiS2具有半金属及金属特性，高的Seebeck系数以及高的功率因子，特有的夹层结构使其可通过结构组装用作热电材料研究。然而，TiS2内部刚性的2D平面，使得声子极易传输，导致高的热导率，而随温度升高不断下降的功率因子，使其热电优值不高。本研究拟利用TiS2特有的夹层结构，从“层内”及“层间”两个“空间维度”进行热电性能调控；结合TiS2晶体结构、微观形貌与热电性能的研究，探索掺杂和插层共作用下TiS2热电性能变化规律；通过系统分析热电性能与制备工艺、微观形貌、能带结构等关系，拟合TiS2内部载流子及声子的散射过程，阐明掺杂和插层共作用下，TiS2内部的电声输运过程。指导其他层状热电材料的设计和制备，为其开发和理论研究提供实验依据。

热电材料是一种能够将热能转化成电能的功能材料，相比传统的热电材料，层状化合物调控手段多样化，层状化合物通常有较大范德瓦尔斯层，可以通过插层或者置换来实现热电性能的调控；且可制备成不同形式的器件，例如：柔性、纤维等形式，能够更好的满足自供电可便携供源的需求。此外，层状化合物还可应用在光热、肿瘤放化疗、传感、光电探测等领域，有着更为广阔的应用前景。本研究通过对层状化合物热电性能进行综合调控，可以对材料的“平面内”以及“平面间”两个维度的性能进行协同调调控，优化热电性能。主要研究内容有：1）对层状化合物进行掺杂，通过有效的元素置换以及化学修饰，优化材料的电性能；2）对层状化合物进行插层，通过引入原子、有机物质来优化材料的热电性能。建立掺杂以及插层作用下，层状化合物电声传输模型。本研究将为层状化合物热电性能优化提供方法支撑。. 本项目研究工作主要针对层状化合物电性能进行优化，通过对层状化合物掺杂或者插层处理，将层状化合物热电性能与光热性能进行结合，利用层状化合物平面内载流子传输特性，我们成功设计了几种全新结构的光热电器件，有望应用在柔性自供电装备领域。此外为了把热电器件做小，我们系统的对一维热电纤维也进行了研究，并通过合理的器件结构设计，成功制备了基于热电性能的柔性多相选择器，并有望在自供电选择器领域获得应用。此外，在乙二胺插层层状化合物也开展系统的研究工作；同时，我们还设计一款可用于热电纤维塞贝克系数测量装置