论文摘要
由于传统化石燃料的日益消耗和随之而来的全球变暖问题,开发清洁的可再生能源已迫在眉睫,其中热电材料能实现热能和电能的直接相互转换,引起了科学界的广泛关注。对常规热电材料而言,输运系数之间相互耦合使得热电指数ZT值难以大幅度提高。理论预测和实验研究都表明低维化和纳米化可以显著提高材料的热电性能,这是因为一方面量子限域效应提高了体系的功率因子,另一方面声子边界散射显著降低了体系的热导率。尽管如此,以Bi、Sb、Te、Co、 Pb、Ag等为基元的具有较高热电性能的材料在低维化方面还存在一些困难,主要是缺乏工艺简单、成本低廉的合成手段,因而并不适合大规模制备和应用。近年来,实验上已经成功合成了碳纳米管、碳纳米线等碳纳米材料。相比于传统材料,这些碳材料具有环境相容性好、碳源丰富而且便于批量生产等优点。本论文结合密度泛函理论、非平衡格林函数方法、以及非平衡分子动力学模拟,研究碳纳米管以及相关体系的电子、声子和热电输运性质,寻求它们作为环境友好型高性能热电材料的可能应用。我们首先研究了直径仅为4A的三种超小碳纳米管（3,3）、（4,2）和（5,0）的热电性能。计算发现它们的电子透射系数都表现出明显的台阶状,反映出体系电子的弹道输运特征；在很宽的温度范围内,这些碳纳米管的功率因子可以被优化到较高的水平。在这三种超小碳纳米管中,半导体性的（4,2）具有相对较高的室温ZT值（1.6）,主要归因于其较大的功率因子和非常小的电子热导。尽管这些碳纳米管自身的ZT值并不是很高,但是它们的热电性能可以通过表面修饰、形成管束、增加样品长度等多种途径得到大幅度提高,预示着超小直径碳纳米管可能是一类潜在的高性能热电材料。接下来我们考察了一系列直径较大的碳纳米管（包括的锯齿形的（7,0）、（8,0）、（10,0）、（11,0）、（13,0）、（14,0）和手性型的（4,2）、（5,1）、（6,2）、（6,4）、（8,4）、（10,5））的热电性能,并讨论了它们随温度、直径、螺旋度的变化规律。如果对体系进行合适的p型或n型掺杂,这些碳纳米管也可以获得很高的ZT值,而且中等直径（7-8A）的碳管（比如（10,0）和（6,4））比其它直径的碳管具有较好的热电性能。通过同位素掺杂、等电子替换以及表面氢吸附等途径可以有效地降低体系的晶格热导,同时基本不影响电子输运,因而其ZT值可以优化到4.0左右。与超小直径（4A）碳管相比,（10,0）碳管在实验上更容易合成和纯化,其优异的热电性能有望在不久的将来首先获得应用。我们还研究了直径为5A具有三种典型取向的碳纳米线[100]、[110]和[111]的室温热电性能。虽然它们都表现为金属性,但只要费米能级附近存在电子“零通道”,通过合适的掺杂它们就可以表现出较高的功率因子。计算表明,由于具有极低的热导和相对较高的功率因子,[100]和[111]取向的碳纳米线表现出比其它一维碳材料（比如碳纳米管）更好的热电性能。如果这些碳纳米线的表面碳原子被氢原子部分吸附,体系的电子热导和晶格热导会显著降低而基本不影响其功率因子,因而ZT值可以增加到10左右,这表明小直径碳纳米线是非常有应用前景的高性能热电材料。碳纳米管具有自组织特性,实验观察表明,单个碳纳米管往往聚集成二维六角排列的阵列结构。为了更好地与相关实验对比,本文最后研究了（10,0）碳纳米管形成阵列结构的热电性能。计算表明,碳管阵列的电子透射系数不再像单根碳纳米管那样出现量子化台阶。在中温附近,通过合适的掺杂,碳管阵列的功率因子能优化到较高的水平,但仍然低于单个碳纳米管的功率因子。由于管间相互作用增强了声子散射,阵列结构的晶格热导从室温到中温范围比单个碳纳米管低20%左右。（10,0）碳管阵列在温度为800K时表现出最高的ZT值1.2。