【摘要】：近年來,由于節(jié)能與環(huán)保的現(xiàn)實要求,能將廢棄熱能直接轉(zhuǎn)換為電能的熱電材料受到人們的廣泛關(guān)注。熱電轉(zhuǎn)換具有無噪音、無污染、可靠性高等優(yōu)點,是一種綠色環(huán)保的發(fā)電技術(shù)。如能利用熱電材料將汽車尾氣和工業(yè)廢氣中的廢棄熱能轉(zhuǎn)換為電能,則既可以有效提高化石燃料的利用效率,節(jié)約能源;又可以減少因為化石燃料不完全燃燒產(chǎn)生的氣體危害環(huán)境。因此熱電轉(zhuǎn)換具有廣闊的產(chǎn)業(yè)化前景�，F(xiàn)階段熱電轉(zhuǎn)換大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸在于熱電材料的性能不佳,即能量轉(zhuǎn)換效率低下。因此,探索高性能熱電材料成為世界范圍內(nèi)研究者們廣泛關(guān)注的問題。復(fù)合材料被認(rèn)為是獲得高性能熱電材料的一個可行的途徑。提高材料的熱電性能的可能途徑一是降低晶格熱導(dǎo)率,二是增大材料的功率因子。目前,實驗上制備納米相的復(fù)合材料晶格熱導(dǎo)率已接近Cahill理論所預(yù)測的最低值。因此,大幅度增大材料的功率因子是進(jìn)一步提升其熱電性能的較好選擇。研究者們在復(fù)合材料中采用多種機(jī)制提高功率因子,包括量子限域效應(yīng),能量過濾效應(yīng),滲流效應(yīng),兩相共存效應(yīng)等。但對于多種效應(yīng)的協(xié)同作用則少有研究。本論文以原子級二維薄膜的面內(nèi)異質(zhì)結(jié)為研究對象,探索了量子限域效應(yīng)與兩相共存效應(yīng)的協(xié)同作用。首先,在第三章中,用簡單的串并聯(lián)模型研究了兩相共存效應(yīng)增大復(fù)合材料功率因子需滿足的條件,即兩相的功率因子值需接近,但電導(dǎo)率值需相差較大;并指出功率因子增大的物理機(jī)制是兩相熱導(dǎo)率的不同使復(fù)合材料具有不均勻的溫度分布,因此可以同時具有高電導(dǎo)和高Seebeck系數(shù)。然后,在第四章中,采用密度泛函理論和玻爾茲曼輸運方程,研究了Ti S2二維原子薄膜中量子限域效應(yīng)對熱電功率因子的影響,發(fā)現(xiàn)單分子層Ti S2的Seebeck系數(shù)相比體材料增加約40%,其增大來源于量子限域效應(yīng)導(dǎo)致的導(dǎo)帶底附近能態(tài)密度的增大。最后,在第五章中,在前兩章工作的基礎(chǔ)上,我們將Ti S2/Mo S2二維面內(nèi)異質(zhì)結(jié)視為一種低維的復(fù)合材料,研究了其中兩相共存與量子限域效應(yīng)的協(xié)同作用的機(jī)制,給出取得最大的功率因子時,兩相的比例以及各自的載流子濃度。本文的計算結(jié)果表明,在原子級厚度的二維面內(nèi)異質(zhì)結(jié)中,量子限域效應(yīng)和兩相共存效應(yīng)可以協(xié)同作用,增大二維復(fù)合材料的功率因子,并且給出了兩相共存和量子效應(yīng)各自其作用的范圍及背后的物理機(jī)制。本文的結(jié)果對加深二維復(fù)合材料物理特性的認(rèn)識,設(shè)計新型二維復(fù)合材料具有積極的意義。
【學(xué)位授予單位】：西北大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB34
【圖文】：

西北大學(xué)碩士學(xué)位論文以上的事實，我們可以在熱電材料中看出在很多領(lǐng)域都很有應(yīng)用前景。不只是在國內(nèi)，在美國和日本，能源部和航天局等發(fā)展部門都將熱電技術(shù)列入中長源開發(fā)計劃[4]。但現(xiàn)階段還屬于理論實驗階段，距投入工業(yè)生產(chǎn)、批量使用尚有不離，依據(jù)我國社會主義建設(shè)第十一個五年規(guī)劃目標(biāo)，熱電轉(zhuǎn)換研究將成為國家重點發(fā)展計劃，由科技部主要負(fù)責(zé)落實。如圖 1.1 所示，如果要與現(xiàn)有的發(fā)電方式競爭熱電轉(zhuǎn)化率是亟待解決的問題。

圖 1.2 Seebeck 效應(yīng)示意圖徑及困難電材料的性能存在很多困難[6]。材料的量標(biāo)準(zhǔn)，其中 S，σ，κ 與 T 分別代表了率，熱導(dǎo)率與絕對溫度；電導(dǎo)率，它的表示材料導(dǎo)熱的能力，這個值越大表示稱為功率因子）。我們希望得到 ZT 很大。材料的熱電效率越大，材料的熱導(dǎo)率發(fā)現(xiàn)，熱電效率材料的電導(dǎo)率成正比。易傳導(dǎo)而且是一種玻璃，使得聲子不容的材料，我們可以有以下方法：(I) 降低

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本文編號：2728470