《弱拓撲絕緣體材料Bi14Rh3I9的製備與電熱輸運性能研究》是依託武漢理工大學，由魏平擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：弱拓撲絕緣體材料Bi14Rh3I9的製備與電熱輸運性能研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：魏平
- 依託單位：武漢理工大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
探索非傳統的電熱輸運現象和開發新型高性能熱電材料是促進熱電轉換技術在餘熱發電和固態製冷領域大規模套用的重要策略。本項目基於拓撲絕緣體新奇的表面態電子結構和弱拓撲絕緣體獨特的層狀堆垛結構，提出以層狀弱拓撲絕緣體Bi14Rh3I9為研究對象，採用垂直布里奇曼法和物理氣相沉積工藝製備Bi14Rh3I9單晶和薄膜，利用同步輻射技術研究弱拓撲絕緣體的體態和表面態電子能帶結構和晶格動力學特徵；開展電子結構和分子動力學計算研究，結合高溫和低溫電熱輸運性能測量結果，研究弱拓撲絕緣體的體態和表面態電子的輸運規律，闡明層狀弱拓撲絕緣體獨特的聲子傳輸行為。在此基礎上，建立弱拓撲絕緣體電熱輸運性能獨立調控的方法並最佳化綜合熱電性能，以此推動弱拓撲絕緣體在熱電材料領域的發展。
結題摘要
開發新型高性能熱電材料是促進熱電轉換技術在餘熱發電和固態製冷領域實現更大規模套用的關鍵。本項目圍繞弱拓撲絕緣體這一類新材料展開了其電子聲子輸運行為和熱電性能最佳化研究。通過第一性原理的聲子譜計算和低溫熱導率測量，研究了弱拓撲絕緣體Bi14Rh3I9和Bi2TeI材料的晶格動力學特徵和聲子散射機制，發現這兩類弱拓撲絕緣體具有極低的晶格熱導率（低至0.3 W m-1 K-1），這與組成材料亞晶格的普通絕緣體層引起的低頻振動和強烈非簡諧行為密切相關，聲子散射機制為低溫下以低頻共振聲子散射為主、室溫附近以強烈的聲子-聲子相互作用為主；計算了弱拓撲絕緣體 Bi14Rh3I9的電子能帶結構，揭示其由二維量子自旋霍爾層主導的準二維電子傳輸行為；探索了弱拓撲絕緣體Bi14Rh3I9和Bi2TeI材料的熱電性能最佳化方法，揭示了不同摻雜方式包括元素替換和插層對材料載流子濃度和電熱輸運性能的影響規律，發現Cu插層較Pd取代可以更顯著提升Bi14Rh3I9材料的熱電性能，而Zn取代較Cu插層可以更顯著提升Bi2TeI材料的熱電性能；藉助X射線光電子能譜研究了Bi14Rh3I9材料的主要構成元素和摻雜元素的化學價態，揭示了由Cu插層引起的電荷轉移行為；探索了拓撲絕緣體Bi2Te3和重費米子YbAl3薄膜材料的製備工藝，揭示了製備工藝對材料電熱輸運性能的影響規律；藉助同步輻射X射線吸收精細結構表征了一類填充方鈷礦熱電材料的電子結構，研究了材料的能帶結構與熱電性能之間的聯繫。本項目基於弱拓撲絕緣體的熱電性能研究將為開發基於拓撲絕緣體家族的新型熱電材料提供有益指導。
