面向有机和复合热电材料的计算方法与应用

In this proposal, we are focused on developing computational methods for thermoelectric properties of organic and hybrid materials, especially those in the strong electron-phonon coupling region, where polaron and hopping models are appropriate. We will derive the electron-phonon coupling matrix elements for all phonon modes and implement the interpolation in momentum space. The ultimate goal of this proposal is to build the structure-property relationship, and to provide efficient and effective screening for novel thermoelectric materials and the optimization of thermoelectric figure of merits.

在本项目中，我们将面向有机和复合热电材料，发展与完善热电输运性质计算方法，尤其是强耦合区的极化子模型和跳跃模型下的热电输运性质计算方法，实现包括所有声学支和声子色散在内的电-声耦合矩阵元的第一性原理计算和插值，建立结构-性能对应关系，为寻找新型的热电材料和热电性能的优化提供有效的筛选方法。

新型有机和有机-无机复合热电材料的特点是成分和结构复杂，而且由于有机材料的柔性及电子和晶格振动耦合强的特点，以往针对无机热电材料发展的计算方法并不适用，包括刚带近似、掺杂效应等。在本项目中，针对这一挑战，我们在前期工作基础上，进一步发展和完善了有机和复合热电材料热电性质的计算方法，为理解材料的结构-性能关系打下基础，提出了有机和复合热电材料性能优化的有效方案。取得的重要结果如下：（1）实现了包括所有声学支和声子色散在内的电-声耦合矩阵元的第一性原理计算，并用此方法研究了电-声散射对二维热电材料晶格热导率的影响，发现当载流子浓度达到1013 cm-2时，晶格热导率和本征值相比会降低30%。（2）实现了晶格热输运性质的第一性原理分子动力学计算方法，这种动力学方法不依赖于经验参数，而且包括了所有晶格振动的非谐效应带来的声子散射。（3）提出通过调控聚合物的聚合度和结晶度来抑制聚合物链内热输运的方法，从而在聚合物中实现“电子晶体，声子玻璃”。（4）研究了化学掺杂对聚合物热电材料的影响，发现掺杂不仅使聚合物获得载流子，而且在一定掺杂条件下会使电荷局域化，形成极化子能带。我们提出的双带传输机理成功解释了热电输运性质的非单调温度依赖关系。这些研究工作对新型热电材料的开发和理性设计具有重要指导意义。