《低維材料電子/聲子熱輸運特性的量子分析》是依託中山大學，由呂樹申擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：低維材料電子/聲子熱輸運特性的量子分析
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：呂樹申
- 依託單位：中山大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
低維材料由於其晶體結構的尺寸效應及量子效應而表現出優異的熱學、電學及光學等物理性能，對其熱物理性質準確預測的研究是其套用於熱電轉換、光電轉換、探針等領域的關鍵課題之一，開展相關研究具有重要的科學意義和實用價值。本項目將採用基於量子力學的密度泛函理論結合非平衡格林函式的、能夠有效描述低維材料電子/聲子熱輸運性質的第一性原理計算方法，以金納米線及薄膜、矽納米線及薄膜、碳納米管為典型的金屬導體、半導體等低維材料，揭示其電子/聲子分別對熱輸運特性的作用及非連續性介質中量子力學的作用機理，分析一維材料體系的非傅立葉導熱問題，獲得低維材料的熱輸運規律及熱物性預測模型，計算結果與相關實驗結果進行對比；根據半導體薄膜材料熱/電物理性質的分析結果及其導熱/導電特點，進一步設計高效熱電材料及其最佳化結構，獲得理論與實驗相符的以二氧化鈦納米管陣列薄膜為主體的高性能熱電材料，為實際套用提供科學依據。
結題摘要
項目發展了兩種基於量子力學基本原理的計算低維材料電子/聲子熱電輸運的方法：DFT-NEGF和DFTB-NEGF，分別研究了石墨烯、石墨炔、石墨炔納米管、過渡金屬硫系化物的熱電輸運特性，取得以下成果： (1) 發展了兩種計算低維材料電子/聲子熱電輸運的方法：DFT-NEGF和DFTB-NEGF。採用DFT+NEGF對比研究石墨炔、石墨烯的熱電輸運特性,計算得到的石墨烯的聲子熱導和Seebeck係數與實驗數據相符，對比石墨炔和石墨烯的電導、熱導、Seebeck係數以及熱電優值ZT，發現石墨炔的熱電性能要明顯優於石墨烯。採用DFTB+NEGF研究石墨炔納米管的熱電輸運特性。相對於石墨炔，石墨炔納米管由於彎曲效應，其帶隙打的更開，聲子的熱導變得更小，Seebeck係數更大。 (2) 石墨烯在六方氮化硼基底上的熱輸運特性研究表明，氮化硼與石墨烯的相互作用使得石墨烯的熱導在低溫區下降的比較大，發現基底只影響石墨烯的ZA聲學支聲子。採用DFT+NEGF方法研究了石墨烯在碳化矽基底上的熱輸運特性，以2G/4SiC為研究模型，研究了第一、第二石墨烯層在四層碳化矽的矽端面(0001)上的熱傳輸特性,與基底直接接觸的石墨烯層的熱導受到很大的抑制，其室溫下的熱導降低為35~42%。 (3) 採用DFT+NEGF方法系統研究了過渡金屬硫系化物系列（MoS2、WS2、MoSe2、WSe2）的彈道熱電輸運性質（二維單層和納米管），計算發現具較低的熱導和較高的ZT值，四種系列一致性規律表現為：熱電性能：單層＞(10，0)＞(6，6)；電子帶隙：單層＞(10，0)＞(6，6)；聲子熱導：(6，6)＞單層＞(10，0)。扶手椅形二硒化鎢納米條的最大熱電優值接近2.2，其性能來源於條帶邊緣的不規則效應而導致的結構重整。 (4) 完成了石墨烯片製備及其在導熱領域的套用研究，發展與改進原有膨脹超聲剝落法，實現克級及高品質石墨烯片的製備，有效製備了石墨烯/環氧樹脂導熱膠粘劑。 本項目已發表研究SCI論文10篇，國核心心期刊論文1篇，會議論文7篇，獲得授權中國發明專利3件，公開中國發明專利2件。參加國際學術會議7次，國內學術會議6次。已出站博士後1名，已畢業博士研究生2名，已畢業碩士研究生1名。
