应变调控薄膜热电性质的研究

发布时间：2020-05-26 11:20

【摘要】：经济的飞速发展和环境的严重破坏使得全世界对能源的生产,保护和管理的需求越来越强烈也促使人类寻找更有效的发电手段。一个潜在的电力来源是通过使用热电材料将热源转换成电力。热电材料具有可以把热源转化为电力的功能,应用这一特点,人们可以把社会生产中大量被白白浪费掉的余热回收。不过截止到现在的热电材料的转换效率都是很低的,导致其在实际的生活和生产中不能大范围的推广。因此,寻找具有新颖物理性质的新热电材料以及提高目前已知的材料热电效率是实现高热电性能的必要活动。本论文基于第一性原理研究了双轴拉伸应变对五边形石墨烯和氮修饰多孔石墨烯(C_2N-h2D)两种热电材料的电子结构性质。两种材料的热电性能是在半经典玻尔兹曼理论下被充分计算分析。下面是论文的内容概括:(1)研究了五边形石墨烯的热电性能被双轴拉伸应变调控时的情况。我们从计算结果发现,通过双轴拉伸应变使(38)-X之间的能量最高价带曲线比无应变情况时更加弯曲。预示着有效质量的减少,表明热电性能会提高。随着双轴拉伸应变依次为0%,4%,8%,11%,12%,n型赛贝克系数表现为先增加后减小,在拉伸应变为11%时出现最大值。五边形石墨烯的p型体系的电导率以及最大功率因子都是先显著增加后减少。在11%的双轴拉伸应变下,功率因子获得最大值,且是非应变情况的16.1倍。与功率因子类似,拉伸应变使p型系统的zT值也是先提高后降低。(2)研究了双轴拉伸应变对氮修饰多孔石墨烯热电性能的影响。从氮修饰多孔石墨烯的能带结果观察到,无拉伸应变作用时,氮修饰多孔石墨烯带隙值是1.665 eV。在双轴拉伸应变下,氮修饰多孔石墨烯的带隙逐渐缩小。在双轴拉伸应变为4%时,费米面附近的最高价带要比未应变时的弯曲,表明有效质量的减少,预示着热电性能会提高。另一方面,对于无应变的氮修饰多孔石墨烯,我们详细探索分析了温度对其调控时的情况。从研究结果观察到,无应变氮修饰多孔石墨烯的塞贝克系数对温度非常敏感。在被研究的温度范围内,当温度上升时塞贝克系数表现出降低的现象。另外,得到的n型无应变氮修饰多孔石墨烯的电导率与弛豫时间比峰值比p型无应变氮修饰多孔石墨烯的要大得多。我们还探索到,电子热导率与弛豫时间比在给定温度范围内与温度呈正相关性。我们注意到n型功率因子与弛豫时间比几乎是p型功率因子与弛豫时间比的四倍。且温度的升高也可使功率因子与弛豫时间比有变大的趋势。而当有拉伸应变作用于氮修饰多孔石墨烯时,在化学势为-0.5 eV~1.5 eV的范围内,p型赛贝克系数却和n型赛贝克系数峰值类似表现出逐渐降低的趋势。氮修饰多孔石墨烯的电导率与弛豫时间比值随拉伸应变的增加而增加。当给予8%,12%的拉伸应变时,氮修饰多孔石墨烯的功率因子和弛豫时间的比值都降低。但是,当拉伸应变为4%时,未应变时的值要小于此时应变状态下的功率因子与弛豫时间比。从本论文的研究可以发现应变能有效对两种材料的热电性能进行调控。这些工作对实验上以及理论方面寻找更有效的方法提升材料的热电性能提供了途径。
【图文】：

示意图,塞贝克效应,示意图

第 1 章绪论理论eebeck)效应的导体或者是半导体使他们之间产生温度差异压差，人们把这样的一个情况命名为塞贝克（一热电效应。塞贝克（Seebeck）效应是在 182当时，，他将两个不一样的金属导线连在一起，这个封闭的回路体旁边放置一个小磁针。当给接2 的温度低于接触点 1 的温度时，两个节点处磁针发生偏转。这是因为温度升高使结点 1 处节点 2 处。从而使回路中产生了电流[11]。

示意图,基底,应变状态,薄膜

纳米级别的薄膜材料由于非常成熟的加工技术使得其易于得到，而且好的配置在其他的器件里，另外，我们还能够轻易的控制它的加工过这些优良的性能让研究薄膜材料制造成的热电器件成为当今科学界我们一般在基底上培养薄膜。我们培养的薄膜的晶格常数和基底的晶确保不能相同，这样就可以使基底与薄膜间呈现出晶格失配的效果，是为了让基底在两者的接触面对薄膜产生应变。从图 1.2(a)中能发现基底晶格常数小于薄膜晶格常数，可以使薄膜中出现压缩应变的现象1.2(b)中能发现，与图 1.2(a)时的基底和晶格常数的关系相反，可以使中出现拉伸应变的现象。由此大家可以发现，如果要想得到具有着良效率的薄膜材料，就可以让晶格常数的基底不一样。使用灵活多样的节材料的热电性能，是一个非常可行的办法。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.2

【参考文献】