北京大学材料科学与工程学院王前教授课题组——五边形石墨炔热输运电性质研究 | MDPI Materials
点击左上角"MDPI化学材料"关注我们，为您推送更多最新资讯。
作者简介
通讯作者
王前 教授
北京大学
北京大学材料科学与工程学院教授、博士生导师。2016~2017年度谢希德物理奖获得者。长期从事新型碳基功能材料、低维热电材料、压电材料、自旋电子学材料、超原子及其组装材料的模拟设计及理论研究。
第一作者
陈艳艳 博士研究生
北京大学
北京大学材料科学与工程学院在读博士。
引 言
北京大学王前课题组在 Materials 期刊发表了文章“Phonon Transport and Thermoelectric Properties of Imidazole-Graphyne”。作者应用第一性原理计算并结合求解玻尔兹曼输运方程，研究了二维咪唑-石墨烯 (Imidazole-Graphyne, ID-GY) 的声子输运和电输运性质，揭示了该体系具有低热导率和良好热电性质的物理机理。ID-GY 是一种基于五边形的二维石墨炔衍生物，具有直接带隙 1.10 eV、较低杨氏模量和强近红外折射，在纳米电子学和光学器件中具有潜在应用。研究发现，当结构基元从六元环变为五元环时，ID-GY 的声子电输运性质与石墨炔相比发生了显著变化，晶格热导率降低，ZT 值为 0.46。最后，作者还揭示了碳基材料在热电领域可能的应用前景。
研究过程与结果
结构与稳定性
图1为 ID-GY 的晶体结构示意图。与由六边形组成的 γ-石墨炔不同，ID-GY 是由炔基连接的五边形单元组成，其晶胞中包含 32 个碳原子和 8 个氮原子。结构的热力学稳定性、机械力学稳定性和动力学稳定性分别通过声子色散谱图1 (b)、弹性力常数计算和 800 K 下分子动力学模拟过程进行了验证。
图1. 咪唑-石墨炔的 (a) 结构示意图和 (b) 声子色散谱 (低频部分)。
热输运性质
在半导体材料中，声子散射在热输运过程中起主导作用。作者计算了不同温度下 ID-GY 的晶格热导率，如图2 (a) 所示，ID-GY 的晶格热导率在 300 K 时为 10.76 W/mK，远低于传统的石墨烯和 γ-石墨炔，这表明结构单元对材料热输运性质有重要影响。ID-GY 的群速度随频率的变化如图2 (b) 所示，在长波极限下，群速度达到 17.5 km/s 的最高值；在低频区，整体群速度仅略低于 γ-石墨炔。室温下声子寿命随频率的变化如图2 (c) 所示，大多数低频声子模式的寿命约为 2 ps。因此，ID-GY 中的短声子寿命是晶格热导率低的主要原因，这表明咪唑-石墨炔相比于 γ-石墨炔具有较强的声子散射。三声子散射的强度通常取决于两个因素：现有散射通道的数量和每个散射通道的强度，这可以用加权相空间和格林艾森系数来描述。ID-GY 由于复杂的几何结构和强光-声学支耦合，具有较大的相空间，如图2 (d) 所示，其平均格林艾森系数为 1 .51，与传统热电材料 PbTe (1.65) 相当，表明 ID-GY 中存在强非谐性。
图2. 咪唑-石墨炔的 (a) 热导率随温度变化；(b) 声子群速度；(c) 声子寿命和 (d) 三声子权重相空间。
为了探究强非谐性的起源，作者绘制了 800 K 下分子动力学模拟得到的 xy 平面上原子运动轨迹和键能曲线，如图3所示。原子轨迹和键能曲线表明五元咪唑分子与炔基之间是通过弱的碳碳键进行连接，不均匀的成键环境和较大的晶格振动失配阻碍了热的有效传导。
图3. 咪唑-石墨炔 (a) 800 K 下分子动力学模拟过程中原子运动轨迹和 (b) 键能曲线。
热电性质
ID-GY 由于具有合适大小的带隙和较低的晶格热导率，可能是一种潜在的热电材料。因此，作者进一步计算了载流子的迁移率与弛豫时间，并通过 BoltzTraP2 软件得到了其塞贝克系数和电导率等物理量；计算了 ZT 值在不同温度下随化学势 μ 的变化，如图4所示。在 300 K 下，p 型和 n 型的 ID-GY 的最优 ZT 值分别达到了 0.46 和 0.38，高于其他二维碳材料，如石墨烯 (0.01)、α-石墨炔 (0.03)、β-石墨炔 (0.12) 和 γ-石墨炔 (0.17)。在 800 K 时，p 型和 n 型 ID-GY 的最优 ZT 值可以达到 2.20 和 2.21。
图4. 咪唑-石墨炔的 ZT 值随着化学势和温度的变化。
研究总结
作者运用第一性原理计算结合求解玻尔兹曼输运方程，研究了结构基元的改变对声子群速度、声子散射相空间和声子弛豫时间的影响；展示了把石墨炔中六元环用五元碳环 (咪唑分子骨架) 代换所形成的新型二维材料咪唑-石墨炔。由于咪唑分子和炔基之间的弱键合，增强了该体系的非谐性，使得声子的非谐散射增强、相空间增大、平均自由程减小，从宏观上表现出咪唑-石墨炔晶格热导率明显降低。在 300 K 下的晶格热导率 (10.76 W/mK) 仅为石墨炔 (106.24 W/mK) 的十分之一，且具有 0.46 的 ZT 值。上述结果表明，将结构单元从六边形改为五边形可以显著降低碳基材料的晶格热导率并提高其热电性能，为更好地理解材料的结构-性质关系、声子-声子相互作用、声子散射过程提供了借鉴。
识别二维码，
阅读英文原文。
原文出自 Materials 期刊
Chen, Y.; Sun, J.; Kang, W.; Wang, Q. Phonon Transport and Thermoelectric Properties of Imidazole-Graphyne. Materials 2021, 14, 5604.
往期回顾
MDPI工程科学
MDPI工程科学类学科平台，分享前沿科学进展。
MDPI生物与生命科学
聚焦前沿学术，探索生物与生命科学的奥秘。
视频号
扫码关注
MDPI开放数字出版视频号
版权声明：
本文内容由MDPI中国办公室编辑编写，一切内容请以英文原版为准。如需转载，请邮件联系：chemmater@mdpi.com
由于微信订阅号推送规则更新，您可以将“MDPI化学材料”设为星标，便可在消息栏中便捷地找到我们，及时了解最新开放出版动态资讯！
点击左下方“阅读原文”，阅读英文原文。
期待您的【分享，点赞，转发】