ZnO/ZnS超晶格纳米线电热输运性能的协同调制研究

In order to achieve a synergistic optimization of electrical and thermal transport properties in thermoelectric materials, complex structure nanowires, ZnO/ZnS superlattice nanowires, are constructed in our project and their thermoelectric properties would be studied by theoretical and experimental methods. The relation between electronic structure and electrical properties of superlattice nanowires would be calculated by combining first principles theory and Boltzmann transport equation. The mechanism of thermal transport in ZnO/ZnS superlattice nanowires would be analyzed by Molecular Dynamics Simulator. Superlattice nanowires will be prepared by VLS and the relation between preparation parameters and thermoelectric properties will also be researched. This project will provide some theoretical guidance and experimental evidences for ZnO superlattice nanowires.

为了实现热电材料中电学性能和热学性能的协同优化，本项目提出了构建结构复杂的ZnO/ZnS超晶格纳米线并对其热电性能进行理论和实验的研究。我们拟采用第一性原理和玻尔兹曼输运方程相结合的方法来分析ZnO/ZnS超晶格纳米线中能带结构、电子态密度与电学性能之间的关联，利用分子动力学分析ZnO/ZnS超晶格纳米线的热传输机制。实验上，我们采用VLS的方法来制备ZnO/ZnS超晶格纳米线，探索其热电性能与各种制备参数之间的内在关联。最终结合理论和实验，实现ZnO/ZnS超晶格纳米线的电学性能和热学性能的协同优化。本项目的开展将为ZnO纳米线热电性能的应用提供理论依据和实验指导。

热电转换技术，能够实现热能和电能直接相互转换，作为一种绿色能源技术和环保型制冷技术受到工业界和学术界越来越广泛的关注。然而，在实际应用过程中，热电材料仍难以大幅普及，这主要是受到其较低转换效率的影响。与传统的热电材料相比，ZnO具有高的热稳定性、抗腐蚀性，并且价格便宜、无毒，特别是可以通过调制掺杂产生优异的电学性能，是一种非常有潜力的高温热电材料。本项目以ZnO材料为研究对象，从理论和实验两方面考察影响其热电性能的主要因素。以Al、Bi和Sn作为掺杂源，通过固相反应法结合放电等离子体烧结系统制备了ZnO块体材料。试验研究发现，由于Bi元素在基体中溶解度的限制，在ZnO中导致Bi2O3杂相的生成。析出的高电阻Bi2O3降低了材料的电导率。此外，结合本项目的实际情况和本领域的热点，进一步拓展了本项目的研究范围。我们采用第一性原理与半经典玻尔兹曼理论相结合的方法研究了MgAgSb中本征缺陷存在的类型及其对化学环境依赖性，并预测了缺陷对MgAgSb热电性质的影响。我们采用固相反应方法制备了MgAgSb，探讨了制备放电等离子体烧结（SPS）制备条件对其热电性能的影响。此外，通过在MgAgSb中掺入多壁碳纳米管将其在室温时的ZT值提高到了1.5倍，达到了0.83。通过机械合金结合SPS的方法制备了Bi0.46Sb1.54Te3材料，实验发现0.2 wt% SiC的加入可以同时增加电导率和赛贝克系数，最终ZT值比纯相增加23%左右。另外我们通过实验发现，SiC可以有效地增强类液态热电材料Cu2Se中Cu离子的类液态的电学输运特性，还增强了对声子的散射能力。通过优化，最终Cu2Se/0.05wt%SiC的样品在875K时的ZT值达到了2.0，相比Cu2Se纯相提高了186%。