氮化硼纳米薄膜的热电性能理论研究
发布时间：2021-07-23 18:42
对于较高温度范围的应用,热电器件需要无机材料。使用块状无机材料制造的商业热电装置的主要问题之一是其机械柔韧性差。因此,将无机材料制备成薄膜形式,基于低维材料的薄膜热电,这是很有前途的选择。目前BNNR热电性能相文献对与BNNR热电的研究尚未有一个明确的量化结果。对于采用不同方法的研究工作来说,由于数据来源不同,处理方式各异,导致最后得到的结果差距很大,对BN纳米材料的热电优值不能给出一个较为准确的结果,对BNNR等准一维纳米材料热电性能的研究目前还需要后续的研究工作来补充目前的不足。本文结合实验室实际制备氮化硼纳米带的样品,建立多种氮化硼纳米带的超晶胞模型,通过第一性原理仿真分析软件对其热电性能进行理论研究,为纳米级热电器件发展提供参考。该研究基于第一性原理分析对双层边缘氢化不同手性的BNNR进行了热电输运性能分析,结果表明ABNNR有着较高的热电优值,通过制成不同规格的纳米薄膜可用于一定温差范围的温差发电,相较于体材料是一种比较优良的柔性热电材料。而ZBNNR的ZT值相对体材料没有较大优势,但其化学势的响应范围广泛。通过碳、氧掺杂改性后可以制备出P型热电材料,与ABNNR混合可制成更...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：61 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
用于a）发电（塞贝克效应）和b）主动制冷（珀耳帖效应）的TE模块的示意图
扑状态[11]。这些机制体现了理解和操纵TE材料中电荷，晶格，轨道和自旋度之间的相互作用的当前状态。许多策略成功地应用于各种材料，例如V2VI3化合物，填充和包合物，类金刚石结构化合物，氧化物和混合阴离子氧化物，硅化物，过渡金属硫属元素化物和有机材料[11]。同时，发展迅速的材料合成和加工技术，例如熔体纺丝，自持加热合成和现场辅助烧结，有助于达到更广泛的应用空间。热电材料的这些进步确保了TE器件作为满足我们全球能源需求的解决方案的一部分发挥着重要作用，TE设备兴起以来的经典TE材料发展状况如下图1-2所示。图1-2几种典型TE材料族的最大ZT值的时间线。2016年，武汉理工大学的研究者在材料合成与加工先进技术国家重点实验室开发出具有多尺度架构的高效TE材料[12]。利用从原子和分子尺度到纳米尺寸的不同尺寸方面的微观电子结构来实现TE性能-即ZT值的优化。描述了两个集成发电TE系统的设计，太阳能热电-光伏混合系统和车辆废热收集系统来展现热能在能量转换领域中最重要的应用。他们提出了解电子和声子通过不同晶格结构时的传输行为是调节TE特性和探索新型先进TE材料的关键这一想法。使用非平衡制备方法，如熔体纺丝和燃烧合成，提供了一种快速有效的方法来实现多尺度微结构，这有利于合理调整电子和声子传输过程，改善TE材料无量纲的品质因数ZT，它是控制TE转换效率重要参数。2017年意大利学者GiulianoBenenti介绍用于了描述稳态流动的一些理论和各种介观或纳米级系统[13]。讨论了不同的理论，这些理论可以考虑介观和纳米尺度物理的不同方面，相干量子传输，磁场诱导效应（包括量子霍尔效应等拓扑结构）和单电子充电效应。它讨论了热电转换的效率和热电的品质因数。更具体地说，
妗８醚芯?表明，致密晶格位错（≈4×1012cm-2）在降低晶格热导率方面特别有效。当位错浓度最大化时，实现了针对PbTe报告的最低晶格热导率值之一。此外，在合金的带收敛3％的情况下，EuTe的电子性能得到提高，并且实现了高热电品质因数ZT≈2.2。这项工作不仅证明了致密晶格位错作为降低晶格热导率的手段的有效性，而且证明了在设计高性能热电材料时同时设计热和电子传输的重要性。南京理工大学的重点实验室在2018年，研究设计出超高ZT值的SnSe晶体结构，并采用简便，经济的水热合成方法成功地制造出高性能的多晶SnSe如图1-3所示[15]。在研究中发现当Sn空位被引入SnSe基质中时，多晶Sn1-xSe样品中σ和赛贝克系数都显着增强。同时根据密度泛函理论计算结果数据的详细分析表明，载流子浓度的增加可归因于Sn空位诱导的费米能级降档以及空位态和价带之间的相互作用。此外，空位破坏了平移对称性，从而增强了声子散射，导致了超低的导热性。实现了利用协同优化多晶SnSe的电传输和热传输性质来制备这种高ZT值2.1的TE器件。这项工作表明，人为引入空位是一种很有前途的策略，可以同时优化电气和热传输特性来提高热电性能。我们证明了载流子浓度通过人为引入Sn空位而增加，从而显着提高了导电率和热电功率因数。多晶SnSe的ZT值大量增加可以加速该材料在高效固态热电器件中的实际应用。图1-3多晶Sn1-xSeZT值对的温度依赖性爱尔兰利默里克大学伯纳尔研究所物理系NiallDalton等人于2019年使用静电纺丝生产了衍生自聚丙烯腈和木质素混合物的生物碳基纳米纤维（CNF）。随
本文编号：3299829
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：61 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
用于a）发电（塞贝克效应）和b）主动制冷（珀耳帖效应）的TE模块的示意图
扑状态[11]。这些机制体现了理解和操纵TE材料中电荷，晶格，轨道和自旋度之间的相互作用的当前状态。许多策略成功地应用于各种材料，例如V2VI3化合物，填充和包合物，类金刚石结构化合物，氧化物和混合阴离子氧化物，硅化物，过渡金属硫属元素化物和有机材料[11]。同时，发展迅速的材料合成和加工技术，例如熔体纺丝，自持加热合成和现场辅助烧结，有助于达到更广泛的应用空间。热电材料的这些进步确保了TE器件作为满足我们全球能源需求的解决方案的一部分发挥着重要作用，TE设备兴起以来的经典TE材料发展状况如下图1-2所示。图1-2几种典型TE材料族的最大ZT值的时间线。2016年，武汉理工大学的研究者在材料合成与加工先进技术国家重点实验室开发出具有多尺度架构的高效TE材料[12]。利用从原子和分子尺度到纳米尺寸的不同尺寸方面的微观电子结构来实现TE性能-即ZT值的优化。描述了两个集成发电TE系统的设计，太阳能热电-光伏混合系统和车辆废热收集系统来展现热能在能量转换领域中最重要的应用。他们提出了解电子和声子通过不同晶格结构时的传输行为是调节TE特性和探索新型先进TE材料的关键这一想法。使用非平衡制备方法，如熔体纺丝和燃烧合成，提供了一种快速有效的方法来实现多尺度微结构，这有利于合理调整电子和声子传输过程，改善TE材料无量纲的品质因数ZT，它是控制TE转换效率重要参数。2017年意大利学者GiulianoBenenti介绍用于了描述稳态流动的一些理论和各种介观或纳米级系统[13]。讨论了不同的理论，这些理论可以考虑介观和纳米尺度物理的不同方面，相干量子传输，磁场诱导效应（包括量子霍尔效应等拓扑结构）和单电子充电效应。它讨论了热电转换的效率和热电的品质因数。更具体地说，
妗８醚芯?表明，致密晶格位错（≈4×1012cm-2）在降低晶格热导率方面特别有效。当位错浓度最大化时，实现了针对PbTe报告的最低晶格热导率值之一。此外，在合金的带收敛3％的情况下，EuTe的电子性能得到提高，并且实现了高热电品质因数ZT≈2.2。这项工作不仅证明了致密晶格位错作为降低晶格热导率的手段的有效性，而且证明了在设计高性能热电材料时同时设计热和电子传输的重要性。南京理工大学的重点实验室在2018年，研究设计出超高ZT值的SnSe晶体结构，并采用简便，经济的水热合成方法成功地制造出高性能的多晶SnSe如图1-3所示[15]。在研究中发现当Sn空位被引入SnSe基质中时，多晶Sn1-xSe样品中σ和赛贝克系数都显着增强。同时根据密度泛函理论计算结果数据的详细分析表明，载流子浓度的增加可归因于Sn空位诱导的费米能级降档以及空位态和价带之间的相互作用。此外，空位破坏了平移对称性，从而增强了声子散射，导致了超低的导热性。实现了利用协同优化多晶SnSe的电传输和热传输性质来制备这种高ZT值2.1的TE器件。这项工作表明，人为引入空位是一种很有前途的策略，可以同时优化电气和热传输特性来提高热电性能。我们证明了载流子浓度通过人为引入Sn空位而增加，从而显着提高了导电率和热电功率因数。多晶SnSe的ZT值大量增加可以加速该材料在高效固态热电器件中的实际应用。图1-3多晶Sn1-xSeZT值对的温度依赖性爱尔兰利默里克大学伯纳尔研究所物理系NiallDalton等人于2019年使用静电纺丝生产了衍生自聚丙烯腈和木质素混合物的生物碳基纳米纤维（CNF）。随
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