【摘要】：過去20年,我國能源消費(fèi)總量持續(xù)增長,但能源利用率僅為30%左右。熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)可以將廢熱直接轉(zhuǎn)換成電能,不但可以提高能源利用率,還可以緩解環(huán)境污染。衡量熱電轉(zhuǎn)換效率的技術(shù)指標(biāo)是熱電系數(shù)值。傳統(tǒng)塊體結(jié)構(gòu)的熱電系數(shù)值偏低,而低維納米結(jié)構(gòu)因量子尺寸效應(yīng)而具有較高的熱電系數(shù)值,因而極可能被集成到下一代微納電子和能量轉(zhuǎn)換設(shè)備中。一方面,隨微納電子設(shè)備的高度集成化,對應(yīng)的熱功率密度越來越大,導(dǎo)致設(shè)備的可靠性和性能降低;另一方面,當(dāng)今世界面臨的能源短缺、環(huán)境污染等問題日益嚴(yán)重,但大部分能量都以“廢熱”的方式浪費(fèi)到大氣中。因此,在工程熱物理與能源利用領(lǐng)域,研究低維納米結(jié)構(gòu)的熱電輸運(yùn)性質(zhì)在理論和應(yīng)用兩個(gè)方面具有重要的指導(dǎo)意義,并引發(fā)了人們廣泛的關(guān)注。這方面的研究不僅能指導(dǎo)我們解決目前困擾微納器件發(fā)展的散熱問題,還為能源的高效利用、設(shè)計(jì)和構(gòu)造可實(shí)現(xiàn)熱輸運(yùn)調(diào)控的聲子器件提供了理論指導(dǎo)。本文基于第一性原理計(jì)算,運(yùn)用非平衡格林函數(shù)(NEGF)方法,預(yù)測了兩種低維納米系統(tǒng)(納米帶、納米片)的熱電輸運(yùn)和熱學(xué)性質(zhì)。本文的主要內(nèi)容如下:1.基于緊束縛近似模型和NEGF方法,研究了含邊緣缺陷結(jié)構(gòu)鍺烯納米帶(GeNRs)中的熱電輸運(yùn)性質(zhì)及其電場調(diào)控。對完美GeNRs,隨納米帶帶寬增加,最大的熱電系數(shù)值(ZT)單調(diào)減小而聲子熱導(dǎo)率線性增加;對包含缺陷結(jié)構(gòu)GeNRs,最大的ZT隨縱向缺陷數(shù)目增加而單調(diào)增加,熱導(dǎo)率隨縱向缺陷數(shù)目增加單調(diào)減小。與ZGeNRs相比,AGeNRs的塞貝克系數(shù)更高、聲子熱導(dǎo)率更低,因而具有更好的熱電性能。此外,在外加電場作用下,完美GeNRs的熱電性能提高,而含缺陷結(jié)構(gòu)GeNRs的熱電性能降低�；诶碚撗芯�,GeNRs的熱電性能可通過調(diào)控缺陷數(shù)目、幾何尺寸及外加電場得到極大提高,從而為GeNRs在熱電領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。2.結(jié)合第一性原理計(jì)算與NEGF方法,研究了黑磷烯納米片中的彈道熱輸運(yùn)性質(zhì)以及應(yīng)變對其熱學(xué)性質(zhì)的調(diào)控。對于完美的黑磷烯納米片,研究發(fā)現(xiàn)其聲子熱導(dǎo)率的各向異性達(dá)到1.75。在溫度高于德拜溫度的條件下,完美黑磷烯納米片的聲子熱導(dǎo)率與T1成正比;對施加單軸應(yīng)變的黑磷烯納米片,其聲子譜中存在一定的虛頻且聲子帶隙隨應(yīng)變大小不同而不同,這說明聲子熱輸運(yùn)可以通過應(yīng)變進(jìn)行調(diào)控�；趹�(yīng)變條件下的聲子譜,計(jì)算了其對應(yīng)的自由能、熵、比熱容,結(jié)果表明單軸應(yīng)變可以調(diào)控磷烯納米片的自由能、熵、比熱容等熱學(xué)性質(zhì),這能夠指導(dǎo)設(shè)計(jì)與制備磷烯基微納聲子器件。
【學(xué)位授予單位】：湘潭大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TM617
【圖文】：

由于熱電材料的ＺＴ由幾個(gè)彼此相互制約的物理量共同確定，增加其逡逑中一個(gè)量必然會引發(fā)另一個(gè)量的減少，所以如何有效提高熱電材料的ＺＴ成為一逡逑個(gè)棘手的技術(shù)問題。圖１．２表示塞貝克系數(shù)、電導(dǎo)、熱導(dǎo)和熱電系數(shù)值ＺＴ隨載逡逑流子濃度的對數(shù)值變化的關(guān)系［１（）］。根據(jù)圖可得，材料的最大ＺＴ是在半導(dǎo)體和半逡逑金屬之間，其載流子濃度約為１0１８邋￣１0２１邋ｃｎＴ１。邐逡逑■ｎｘｕｌａＣｏｒｘ邋｜邋Ｓｅｍｉ－邋ｊ邋Ｓ？＊ｎｌ－（ｎｃＣ？Ｉｘ邋ｊ邋Ｍｅｔａｌｓ逡逑．Ｊ邋ｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ邋丨邐＞逡逑邐邋■邋！邐邐逡逑ｌｏｇ邋ｎ邋—＞逡逑圖１．２塞貝克系數(shù)、電導(dǎo)、熱導(dǎo)及熱電系數(shù)值隨載流子濃度的對數(shù)值變化的關(guān)系［１（）］逡逑熱電材料的研究進(jìn)展邐逡逑■＇逡逑零．yU暴＿邋ＡｇＰｂｊｂＴ＾邋｜通逡逑．■ＫＴＳｅｃｌ逡逑Ｚｎ４Ｓｂ逡逑ａ５邋１著遍逡逑１８？１邐１８５５邐１９４９邐１９９０邐１９９７邐２００４邐（年）逡逑圖１．３熱電材料的研究現(xiàn)狀Ｍ逡逑目前，己有大量研宄提高體材料的熱電系數(shù)值，圖１．３描繪了熱電材料的研逡逑究現(xiàn)狀［｜１］。yU和碲的化合物碲化鉍的ＺＴ約在０．８？１．０［１２１，廣泛應(yīng)用于各種制冷逡逑設(shè)備。隨著材料技術(shù)的發(fā)展

由于熱電材料的ＺＴ由幾個(gè)彼此相互制約的物理量共同確定，增加其逡逑中一個(gè)量必然會引發(fā)另一個(gè)量的減少，所以如何有效提高熱電材料的ＺＴ成為一逡逑個(gè)棘手的技術(shù)問題。圖１．２表示塞貝克系數(shù)、電導(dǎo)、熱導(dǎo)和熱電系數(shù)值ＺＴ隨載逡逑流子濃度的對數(shù)值變化的關(guān)系［１（）］。根據(jù)圖可得，材料的最大ＺＴ是在半導(dǎo)體和半逡逑金屬之間，其載流子濃度約為１0１８邋￣１0２１邋ｃｎＴ１。邐逡逑■ｎｘｕｌａＣｏｒｘ邋｜邋Ｓｅｍｉ－邋ｊ邋Ｓ？＊ｎｌ－（ｎｃＣ？Ｉｘ邋ｊ邋Ｍｅｔａｌｓ逡逑．Ｊ邋ｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ邋丨邐＞逡逑邐邋■邋！邐邐逡逑ｌｏｇ邋ｎ邋—＞逡逑圖１．２塞貝克系數(shù)、電導(dǎo)、熱導(dǎo)及熱電系數(shù)值隨載流子濃度的對數(shù)值變化的關(guān)系［１（）］逡逑熱電材料的研究進(jìn)展邐逡逑■＇逡逑零．yU暴＿邋ＡｇＰｂｊｂＴ＾邋｜通逡逑．■ＫＴＳｅｃｌ逡逑Ｚｎ４Ｓｂ逡逑ａ５邋１著遍逡逑１８？１邐１８５５邐１９４９邐１９９０邐１９９７邐２００４邐（年）逡逑圖１．３熱電材料的研究現(xiàn)狀Ｍ逡逑目前，己有大量研宄提高體材料的熱電系數(shù)值，圖１．３描繪了熱電材料的研逡逑究現(xiàn)狀［｜１］。yU和碲的化合物碲化鉍的ＺＴ約在０．８？１．０［１２１，廣泛應(yīng)用于各種制冷逡逑設(shè)備。隨著材料技術(shù)的發(fā)展

單壁碳納米管熱電性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)其室溫下最大的ＺＴ在０．２左右。隨后，Ｌｉｕ逡逑等ＩＮ結(jié)合非平衡分子動力學(xué)方法和非平衡格林函數(shù)方法研宄了手性、半徑對碳逡逑納米管熱電性質(zhì)的影響，如圖１．４所示。研宄結(jié)果表明手性型ｃｈｉｒａｌ（４，２）碳納米逡逑管的熱導(dǎo)率最低，而熱電動勢最高，因此它的熱電性能最好。ｃｈｉｍｌ（４，２）碳納米管逡逑最大的ＺＴ值可以達(dá)到１．６，約為ａｒｍｃｈａｉｒ（３，３）碳納米管的十倍。此外，對新穎二逡逑維材料如石墨烯、硅烯、鍺烯、黑磷烯等的熱電性能研宄也在開展。Ｓｔｅｆａｎ等研逡逑宄發(fā)現(xiàn)磁性鋸齒邊緣石墨烯、硅烯、鍺烯、錫烯納米帶的ＺＴ值最大約為１．０｜２２］。逡逑Ｆｅｉ研宄發(fā)現(xiàn)黑磷烯沿鋸齒方向ＺＴ值很小，手扶方向ＺＴ值摻雜提高１左右［２３］。逡逑ａ0＞ｃ邋Ｑ逡逑ｔｘｙｃｆｃ逡逑圖１．４邋（ａ）化學(xué)吸附兩個(gè)氫原子的（４，２）碳納米管；（ｂ）雙束型（３，邋３）碳納米管；（ｃ）三束逡逑型（５，０）碳納米管＿逡逑，８０＾＾［＾Ｕｒａｔｉ0ｎ邋—？—ｇｒａｐｈｅｎｅ邐４邋ｊＡＰ邋ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ邐—？—邋ｇｒａｐｈｅｎｅ逡逑ＣＯ邋６０Ｔ＝３００邋Ｋ邐ｓｄｉｃｅｎｅ邐３邋＿邋０＝＾２．邋Ｖ＝０．邐一：一邋ａｌｉｃｅｏｅ逡逑４０」邐ｇｅｒｍａｎｅｎｅ邐［－；邋？＇Ｔ＝３００Ｋ邐—＾－ｇｅｒｍａｎｅｎｅ逡逑°邋２０－邐ｓｔａｎｅｎｅ邐Ｎ《：ａ＝１邋邐邋ｊ－0－＾ｎｅｎｅ逡逑０－邐ｖ．ｖ．ｖｒ＇ｉ，邐0ｊ．邐．匕逡逑１邋０８ｉ邐＿＿＿邐＇邋ｊｎ

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本文編號：2800357