热电复合材料中两相共存与量子限域的协同作用

发布时间：2020-06-24 22:51

【摘要】：近年来,由于节能与环保的现实要求,能将废弃热能直接转换为电能的热电材料受到人们的广泛关注。热电转换具有无噪音、无污染、可靠性高等优点,是一种绿色环保的发电技术。如能利用热电材料将汽车尾气和工业废气中的废弃热能转换为电能,则既可以有效提高化石燃料的利用效率,节约能源;又可以减少因为化石燃料不完全燃烧产生的气体危害环境。因此热电转换具有广阔的产业化前景。现阶段热电转换大规模应用的瓶颈在于热电材料的性能不佳,即能量转换效率低下。因此,探索高性能热电材料成为世界范围内研究者们广泛关注的问题。复合材料被认为是获得高性能热电材料的一个可行的途径。提高材料的热电性能的可能途径一是降低晶格热导率,二是增大材料的功率因子。目前,实验上制备纳米相的复合材料晶格热导率已接近Cahill理论所预测的最低值。因此,大幅度增大材料的功率因子是进一步提升其热电性能的较好选择。研究者们在复合材料中采用多种机制提高功率因子,包括量子限域效应,能量过滤效应,渗流效应,两相共存效应等。但对于多种效应的协同作用则少有研究。本论文以原子级二维薄膜的面内异质结为研究对象,探索了量子限域效应与两相共存效应的协同作用。首先,在第三章中,用简单的串并联模型研究了两相共存效应增大复合材料功率因子需满足的条件,即两相的功率因子值需接近,但电导率值需相差较大;并指出功率因子增大的物理机制是两相热导率的不同使复合材料具有不均匀的温度分布,因此可以同时具有高电导和高Seebeck系数。然后,在第四章中,采用密度泛函理论和玻尔兹曼输运方程,研究了Ti S2二维原子薄膜中量子限域效应对热电功率因子的影响,发现单分子层Ti S2的Seebeck系数相比体材料增加约40%,其增大来源于量子限域效应导致的导带底附近能态密度的增大。最后,在第五章中,在前两章工作的基础上,我们将Ti S2/Mo S2二维面内异质结视为一种低维的复合材料,研究了其中两相共存与量子限域效应的协同作用的机制,给出取得最大的功率因子时,两相的比例以及各自的载流子浓度。本文的计算结果表明,在原子级厚度的二维面内异质结中,量子限域效应和两相共存效应可以协同作用,增大二维复合材料的功率因子,并且给出了两相共存和量子效应各自其作用的范围及背后的物理机制。本文的结果对加深二维复合材料物理特性的认识,设计新型二维复合材料具有积极的意义。
【学位授予单位】：西北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB34
【图文】：

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西北大学硕士学位论文以上的事实，我们可以在热电材料中看出在很多领域都很有应用前景。不只是在国内，在美国和日本，能源部和航天局等发展部门都将热电技术列入中长源开发计划[4]。但现阶段还属于理论实验阶段，距投入工业生产、批量使用尚有不离，依据我国社会主义建设第十一个五年规划目标，热电转换研究将成为国家重点发展计划，由科技部主要负责落实。如图 1.1 所示，如果要与现有的发电方式竞争热电转化率是亟待解决的问题。

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图 1.2 Seebeck 效应示意图径及困难电材料的性能存在很多困难[6]。材料的量标准，其中 S，σ，κ 与 T 分别代表了率，热导率与绝对温度；电导率，它的表示材料导热的能力，这个值越大表示称为功率因子）。我们希望得到 ZT 很大。材料的热电效率越大，材料的热导率发现，热电效率材料的电导率成正比。易传导而且是一种玻璃，使得声子不容的材料，我们可以有以下方法：(I) 降低

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