【摘要】：近年來,化石燃料的消耗與日俱增,造成大量污染和能源短缺。其中,化石燃料產(chǎn)生的大部分能量以廢熱的形式耗散,所以回收余熱十分關(guān)鍵。熱電材料能利用低品位的熱能發(fā)電,近來研究方興未艾。熱電材料的工作效率由熱電優(yōu)值ZT衡量,ZT等于功率因子與熱導(dǎo)率之比。構(gòu)造具有低維結(jié)構(gòu)的納米材料一方面能夠引入聲子的界面散射,另一方面能夠利用聲子的局域共振效應(yīng),從而降低材料的熱導(dǎo)率,提高熱電優(yōu)值。此外,低維結(jié)構(gòu)可改變電子態(tài)密度分布,對提升功率因子也大有裨益。因此,本文提出利用硅納米籠結(jié)構(gòu)同時實現(xiàn)熱導(dǎo)率的降低和塞貝克系數(shù)的提升。一方面,聲子的局域共振效應(yīng)令硅納米籠的熱導(dǎo)率比尺寸接近的硅納米線還要低。另一方面,硅納米籠結(jié)構(gòu)迫使電子沿相鄰納米結(jié)之間的納米線傳輸,令態(tài)密度分布出現(xiàn)了類似于納米線結(jié)構(gòu)的尖峰,提升了塞貝克系數(shù)。此外,硅納米籠是具備納米結(jié)構(gòu)的體塊材料,比硅納米線更有應(yīng)用價值。運用第一性原理和玻爾茲曼輸運方程,我們研究了硅納米籠的能帶結(jié)構(gòu)及其在室溫下的熱電輸運參數(shù),發(fā)現(xiàn)ZT最大值為0.96,該結(jié)果表明硅納米籠在熱電應(yīng)用上具備非常大的潛力。除了硅納米籠結(jié)構(gòu),體塊材料中的低維電子輸運同樣有助于提高熱電優(yōu)值,因此本文提出利用氮化碳分子晶體的層間電荷耦合來獲取高熱電性能。結(jié)合第一性原理和玻爾茲曼輸運方程,我們計算了氮化碳分子晶體的能帶結(jié)構(gòu)及其在室溫下的熱電輸運參數(shù),發(fā)現(xiàn)ZT最大值為0.52。通過對比氮化碳分子晶體及其異構(gòu)物的電荷分布,我們深入探討了低維電輸運提升有機半導(dǎo)體熱電輸運參數(shù)的機理,并且發(fā)現(xiàn)其低維電荷輸運特性應(yīng)歸功于較強的層間p_z軌道耦合和層內(nèi)的p_z軌道離散分布。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TB383.1;TK115
【圖文】：

電能的途徑[1]，原理如圖1-1所示。受溫差驅(qū)動，電荷從熱端流向冷端，形成電勢差。如果將p、n半導(dǎo)體連成回路，則可以產(chǎn)生電流。反之，外加電場迫使電荷從冷端向熱端運動，則可以將電能轉(zhuǎn)化為制冷量。圖1-1 溫差發(fā)電示意圖[2]。熱電優(yōu)值ZT是衡量熱電轉(zhuǎn)換效率的基準(zhǔn)，如果熱電材料的ZT能夠達到3以上[3]，便在經(jīng)濟效益上代替化石燃料的可能性。熱電優(yōu)值的的表達式為[4]： = 2 ( ) (1-1)式中(1-1) 、 、 、 和 分別為電導(dǎo)率、塞貝克系數(shù)、溫度、電子熱導(dǎo)率和聲子熱導(dǎo)率。很顯然，提高ZT的途徑就是盡可能降低熱導(dǎo)率同時提高電導(dǎo)率和塞貝克系數(shù)。然而，塞貝克系數(shù)和電導(dǎo)率隨載流子濃度變化的趨勢恰好相反，一般而言，當(dāng)載流子濃度位于1019至1021cm-3區(qū)間內(nèi)

1.2 熱電材料研究進展1.2.1 概述圖1-2較為形象地描述了1940年至今的熱電材料研究進展。圖1-2 熱電材料的發(fā)展趨勢[5]。最初受到關(guān)注的熱電材料是碲化鉍(Bi2Te3)、碲化銻(Sb2Te3)、硒化鉍(Bi2Se3)和(Sb0.8Bi0.2)2Te3等，對這些材料摻雜可以略微降低導(dǎo)帶展寬，在盡量不影響其他參數(shù)的前提下提高有效電子質(zhì)量，進而提高塞貝克系數(shù)。然而因為此舉同時降低了電導(dǎo)率和電子熱導(dǎo)率，考慮到各參數(shù)之間的競爭，這類固體材料潛力有限，ZT提升至1以后的很長時間都沒能繼續(xù)突破。1990年后，納米技術(shù)的進展為熱電材料的研究帶來新的技術(shù)手

【相似文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 都有為，顧剛，臧文成;全碳分子及其衍生物的結(jié)構(gòu)與制備[J];物理學(xué)進展;1995年03期

2 都有為;全碳分子及其衍生物簡介[J];材料導(dǎo)報;1995年05期

3 郭凱聲;;有關(guān)C_(60)碳分子研究的兩項新成就[J];世界研究與發(fā)展;1992年05期

4 王竟;;美國科學(xué)家繼發(fā)現(xiàn)C_(60)和C_(70)碳分子后又發(fā)現(xiàn)C_(76)[J];科技導(dǎo)報;1992年01期

5 曹保鵬;碳的第三種形態(tài)—全碳分子與富勒烯化學(xué)[J];菏澤師專學(xué)報;1998年02期

6 史語;;科學(xué)家發(fā)現(xiàn)管狀碳分子[J];科學(xué);1992年02期

7 趙剛 ,吳江霞;科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)一種新的碳分子[J];大自然探索;1992年02期

8 ;日本開發(fā)出利用碳分子運載基因的新技術(shù)[J];種子世界;2010年04期

9 杜文甫;;一種穩(wěn)定的多碳分子C_(60)的發(fā)現(xiàn)[J];國際科技交流;1986年08期

10 ;C_(60)碳分子及其“家族”[J];科技導(dǎo)報;1992年01期

相關(guān)會議論文 前5條

1 宋凱莉;于偉威;賁帥;徐彤彤;郭培瑩;郭靜;;理論研究核間距不同的二硫化碳分子的非次序雙電離[A];第六屆全國計算原子與分子物理學(xué)術(shù)會議論文集[C];2016年

2 馮亞非;錢凱先;黃文棟;徐元植;陳德余;唐海瓊;李文鑄;;C_(60)的吡啶溶液在輻照下產(chǎn)生自由基的ESR初探[A];第八屆全國波譜學(xué)學(xué)術(shù)會議論文摘要集[C];1994年

3 孫偉明;李祥輝;陳敬華;;以氟化碳分子籠為配體的新型超級鹵素團簇的理論設(shè)計[A];中國化學(xué)會第30屆學(xué)術(shù)年會摘要集-第十八分會：電子結(jié)構(gòu)理論方法的發(fā)展與應(yīng)用[C];2016年

4 徐國亮;張現(xiàn)周;孫金鋒;謝安東;朱正和;;碳分子線基態(tài)特性理論研究[A];第十三屆全國原子與分子物理學(xué)術(shù)會議論文集[C];2006年

5 李艷芹;吳艷波;;三角雙錐五配位碳分子D_(3h)[A-CE_3-A]~-(E=Al,Ga,A=Si,Ge,Sn,Pb)的設(shè)計、勢能面探索與成鍵分析[A];中國化學(xué)會第十二屆全國量子化學(xué)會議論文摘要集[C];2014年

相關(guān)重要報紙文章 前3條

1 本報駐東京記者 吳仲國;日本公司在爭奪碳納米管市場[N];科技日報;2001年

2 顧兆農(nóng);莫斷了心中的“風(fēng)箏線”[N];人民日報;2015年

3 記者 張峰;濟南造碳晶板領(lǐng)先國內(nèi)電熱領(lǐng)域[N];濟南日報;2011年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 崔中華;新型平面分子的設(shè)計和穩(wěn)定性的理論研究[D];吉林大學(xué);2012年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前2條

1 莫深秋;硅納米籠和氮化碳分子晶體的熱電輸運參數(shù)計算[D];華中科技大學(xué);2019年

2 李家鳴;低濃度瓦斯變壓吸附濃縮用碳分子篩的制備[D];安徽理工大學(xué);2012年

本文編號：2724314