拓撲絕緣體人工微結構材料的熱電效應與原型器件研究

《拓撲絕緣體人工微結構材料的熱電效應與原型器件研究》是依託南京大學，由陳延峰擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：拓撲絕緣體人工微結構材料的熱電效應與原型器件研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：陳延峰
• 依託單位：南京大學

項目摘要

利用納米結構可以對熱電材料的性能進行非常有效的改善，與此同時，理論上預計，拓撲絕緣體獨特的電子拓撲特性對於熱電材料性能的提升，也是一個可能的機遇。基於上述考慮，本項目擬主要利用磁控濺射方法，生長高質量的拓撲絕緣體薄膜和超晶格結構；基於理論分析，並通過系統的材料表征和熱電性能測試實驗，尋找拓撲態與熱電性質的內在聯繫，建立拓撲絕緣體納米結構的拓撲態電子影響熱電性能的理論模型；在理論計算的基礎上，並藉助微加工工藝，設計和製備可能提高材料熱電性能的人工微結構，以期最大限度地提高熱電轉化效率。最後，設計和製備具有高熱電轉化效率的熱電原型器件，為拓撲絕緣體在熱電領域的套用打下基礎。

結題摘要

本項目主要藉助磁控濺射、分子束外延等材料合成方法，製備高質量的拓撲絕緣體納米材料及其熱電原型器件，從理論和實驗上研究拓撲絕緣體人工微結構材料的本徵熱電性質以及人工微結構對納米熱電材料的熱電性能影響，分析表面態電子和量子限制效應對電子和熱聲子輸運特性的調製作用，理解和實現玻色子體系中的量子拓撲現象，從巨觀熱/電輸運性質及其變溫特性來解析材料的微觀動力學機制。通過本項目的研究，我們系統地掌握了以Sb2Te3為代表的拓撲絕緣體超晶格材料、納米帶結構、二維少層材料的製備工藝，能夠製備高質量的WxMo1-xTe2合金、鈷氧化合物、ZrSiS體系、SnSe熱電材料等一系列的單晶材料，熟練掌握磁控濺射、分子束外延、化學氣相輸運和脈衝雷射沉積等材料製備和生長工藝；自主探索並掌握了一整套用於測量納米材料熱電性質的原型器件的加工工藝，實現了一維納米線/帶、二維材料和薄膜材料的微納器件加工，自主開發了時域熱反射譜TDTR薄膜熱導率測量系統、納米材料熱電性能測量系統和3ω測量系統這三套用於檢測納米材料熱電性能的實驗系統，對所生長的材料體系和器件進行了較為全面而系統的性能測試。在此基礎上，結合玻爾茲曼熱輸運方程、第一性原理計算和聲子散射動力學模型，通過巨觀熱/電輸運性質研究了與之緊密關聯的聲子、電子輸運機制，推算聲子平均自由程、缺陷密度、格律奈森常量等反映材料熱物理特性的物理學參量，進而分析了人工微結構中熱載流子傳輸的動力學機制。同時，我們還將拓撲絕緣體中的研究拓展到聲子、光子等玻色子體系，設計並實現了二維、三維聲學拓撲絕緣體和全固態聲子拓撲材料體系和集成器件。通過拓撲絕緣體中的人工微結構對熱電性能影響的一般規律的研究，本項目為拓撲材料與熱物理性質的關聯提供了新的理論和實驗結果。本項目共發表SCI論文14 篇，其中包括Nature Communications 2篇，National Science Review和Progress in Quantum Electronics綜述文章各1篇，共申請發明專利11 項，其中已授權3項。