有机分子晶体Bis-Dithienothiophene热电输运性质的理论研究

摘要

随着经济的飞速发展，能源的消耗也越来越大。全世界被消耗的能源中，大约有70％被浪费掉，在这部分被浪费掉的能源中，绝大部分是废弃的热能。然而传统的能源是有限的，终有一天会枯竭。为了解决这一潜在的能源危机，新能源产业逐步兴起，寻找新型、绿色、可持续的能源。在这样的背景下，热电材料越来越受到关注。这是因为热电材料能够将热能转换成电能，相应的热电器件可以用来将废热转换为可利用的电能，比如制成热电发生器。反过来，也可以通过电能的转化制成制冷机。
　　起初，对热电材料的研究主要集中在一些三维的无机半导体材料，例如Bi2Te3、PbTe、SnSe、Si、Ge和钙钛矿材料等。近年来，随着纳米材料制备技术的不断发展和对纳米尺度下电子、声子输运研究的不断深入，对低维材料的热电输运性质的研究越来越多。热电材料的能量转换效率取决于其品质因子ZT。要达到商用目的，材料的ZT值应该在3以上。
　　费米面附近电子态密度随能量变化梯度越大，Seebeck系数就越大，而声子玻璃材料的声子热导率较低。因此，低维电子和玻璃声子是提高热电材料效率的两个重要的因素，并且构成了热电研究领域的两个重要的分支。我们既可以通过控制低维材料的电子输运，也可以通过在块体材料中运用声子设计来提高热电转换效率。目前的工作已经能够将两者很好的结合起来，即将声子工程运用到低维材料中。
　　本文我们提出了一种新的提高ZT因子的方案，将低维电子输运运用到块体的声子玻璃晶体中。我们以有机分子晶体 Bis-Dithienothiophene为例，提出可以在保持分子晶体的低热导率的情况下，通过利用其一维电子能带来提高其热电输运效率，从而提高ZT值。通过第一性原理计算，结合理论分析，我们证明了这一方案的可行性。在不对材料进行任何参数优化的情况下，我们得到在室温时的热电优值ZT为1.48。与此同时，我们也推测该方案应该同样适用于一些无机的晶体材料。虽然有机热电材料具有很多优势，比如：柔性、廉价、无毒、轻便等，但对于有机材料的理论研究尚不成熟，而且一般的有机材料的ZT大都比较小。因此，这属于热电材料研究领域的一片待开发的领域，希望我们的工作能够吸引更多的研究者投身这一领域的研究。

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1 绪论

1.1 热电效应

1.2 研究背景及现状

1.3 热电材料的应用

1.4 本文的研究工作

2 理论与计算方法

2.1 第一性原理计算简介及参数选择

2.2 半经典玻尔兹曼输运理论及热电系数的推导

3 有机分子晶体(BDTMC)的热电性质

3.1 分子晶体(BDTMC)的电子结构

3.2 一维模型理论推导

3.3 分子晶体(BDT)的电子传输

3.4 分子晶体(BDT)的声子传输

3.5 分子晶体(BDT)的热电性质

3.6 本章小结

4 总结与展望

4.1全文总结

4.2 下一步的工作和展望

致谢

参考文献

附录1：读取OUTCAR文件中晶体对称性的模块

附录2 攻读硕士学位期间已经发表的学术论文

附录3 硕士学位期间所获奖励