新型二维材料热电输运的理论研究

A new two-dimensional material of black phosphorus due to its excellent electronic properties are believed to be is a kind of high efficient thermoelectric materials. How to efficiently improve the thermoelectric properties of black phosphorus is very important for the realization of its application in thermoelectric devices. In this project, we will perform a numerical study of the thermoelectric and thermal transport properties in monolayer and bilayer phosphorene based on the tight binding model and the non equilibrium Green's function method. We plan to calculate anisotropic thermoelectric coefficients in different temperature regimes. In addition, a numerical study of thermoelectric transport of phosphorene nanoribbons with different width and edge configurations are studied. We focus on the combined effect of the magnetic field, the boundary effect and anisotropy. On the other hand, we will study the thermoelectric transport in monolayer, bilayer phosphorene and phosphorene nanoribbons by applying the vertical bias and superlattice potential. We modulate and improve the performance of the the phonon thermal transport and thermoelectric properties by tuning amplitude of the bias and strength, width of the superlattice. Through this project, we can develop low dimensional nanostructure thermoelectric transport theory and calculation method to explain or predict the relative experimental phenomena, and provides a physical model and theoretical basis for the design and construction of high performance thermoelectric devices based on low dimentional nanosystems.

新型二维材料黑磷因其优异的电子性质被认为将会是一种高效的热电材料。如何尽最大效率的提高黑磷的热电性能对实现它在热电器件上的应用是非常重要的。本项目拟采用紧束缚近似模型，并结合非平衡格林函数方法通过数值计算系统深入研究单层、双层黑磷和黑磷烯纳米带的热电输运及其调控机制。一方面，通过计算有限温度下材料的电导率、温差电导率、热电势、能斯特信号和热导率，研究各种热电输运系数、ZT因子与化学势、温度及结构参量的依赖关系。探究磁场、边界效应、尺寸效应及各向异性对其热电输运性质的影响。另一方面，施加垂直偏压和超晶格周期势，通过改变垂直偏压大小和周期性势场的宽度、强度等超晶格参数调制系统的电子性质，实现对其声子热输运、热电性能的有效调控。我们希望通过本项目的研究能够发展低维纳米结构的热输运理论和计算方法，解释或预言相关的实验现象，寻找和设计高性能的新型导热材料、热电材料和热控制器件。

在本项目资助下，我们主要进行了以下几个研究工作：1. 研究黑磷薄膜的整数量子霍尔效应及半导体-半金属相变。强磁场下，双层黑磷的量子化电导平台展现出与传统二维电子气一样的特点，不同的是霍尔平台的位置关于零能量点不对称，这是因为其能谱不对称的缘故。随着外加垂直偏压的增强，ν=0霍尔平台的宽度变小直至消失。这意味着随着外加偏压的增大价带与导带间的体能隙变小直至关闭，最终使得系统经历了半导体-半金属的转变。2. 研究垂直偏压对黑磷烯纳米带的电导及热电势的影响。对于完美zigzag黑磷烯纳米带，在费米面附近，两重简并的准平边缘带从体带中分离出来。电导展现出台阶状结构，当费米能跨过每一个分立的横向通道时，电导改变一个整数数值。外加偏压使得两重简并的边缘带完全分裂开来，第一电导平台为零。这表明系统的电导可以通过偏压开启和关闭，因此可以作为场效应晶体管应用。此外，外加垂直偏压以后，费米面附近系统的热电势的峰值随着垂直偏压的增大有明显提高。增强的热电势对于系统在热电器件方面的应用有很大帮助。3. 研究外场下黑磷薄膜的热磁输运特性。热电输运系数表现出与普通半导体类似的特点，不同的是，由于黑磷烯独特的褶皱结构使其电子和热电输运特性有很大的各向异性。温差电导率和能斯特信号展现出明显的各向异性的特点，而热电势几乎是各向同性的。外加垂直偏压使得热电势和能斯特信号的峰值增加。 4. 研究磁性掺杂拓扑绝缘体表面的能斯特效应：计算有限浓度下磁性掺杂拓扑绝缘体表面的热电输运系数。热电输运系数同时被杂质散射和热波动调制，在能量空间中表现出丰富的物理特性。5. 发展了一套介绍Weyl半金属中异常正纵向磁导率的解析理论，发现了纵向磁导率呈现周期性的量子振荡。具有手性异常的Weyl半金属相的指纹图谱，其观测结果是鉴别Weyl半金属材料的有效判据。