Advanced Functional Materials:有机纳米尺度热电材料与器件研究进展

近年来,随着微纳电子器件的集成度进一步提高,对其废热能源回收利用的需求受到了工业界、学术界的广泛关注。热电材料则是实现将热能转化为电能的理想手段之一,它具有清洁,无机械运动部件,工作环境广泛等优点,具有极大的商业化应用的潜力。一个好的热电材料要求同时具有高电导率,高Seebeck系数、低热导率三个特点。然而由于Widemann-Franz规律的限制,这三者往往是不可兼得的。因此,针对这三个参数的调控,一直以来都是研究者奋斗的目标。在块体材料中,对热电性能的优化也已经取得了令人瞩目的成就。表征热电材料转化效率的ZT值,从不足0.5提高到了2.8左右(实验值)。

作为另一种选择,部分研究者也将目光转向纳米化热电器件,它是提高材料热电性能的一种有效手段。然而,由于纳米结构的复杂性以及稳定性,纳米化的热电器件一直以来都受到诸多限制无法产生较为实际的应用。但随着实验技术的突破,如:电导、热电势的测量,尤其是针对分子尺度的热导的测量,以及分子结构筑技术等一系列困扰分子热电学的实验技术突破。在更小的尺度上构筑热电器件已逐步成为可能。与此同时,从另一个角度看,微纳尺度结构的复杂性也同时为热电性能的调控提供了更为广泛的可能性,这其中仍然又许多调控机制有待发掘,这无疑为热电材料的发展提供了更多的选择。因此,针对纳米以及分子原子尺度热电器件的研究存在着十分广阔的应用前景。

近日,湖南大学物理微电子学院陈克求教授课题组对有机纳米尺度的热电器件的最新研究进展进行了综述。本文首先详细综述了针对纳米尺度热电器件的实验测量方法,在电导及热电势测量方面,如:扫描隧道显微断裂结技术(STMBJ),机械断裂结技术(MCBJ),电迁移断裂结技术(EBJ)以及热原子力显微镜(Th-AFM)。在热导测量方面,如:时域反射法(TDTR),扫描热显微镜(SThM),皮瓦扫描隧道显微镜(cp-STM)。与此同时,本文还对近年来分子热电器件的理论计算方法的发展进行了详细阐述,着重强调了热电材料中的基本载流子(声子、电子)之间的耦合关系,以及如何将耦合关系考虑在理论计算范畴之内。在此基础之上,作者综述了目前具有潜力的纳米及分子尺度热电材料及其构型,如电极材料,共轭分子,磁性分子结,范德华异质结等。对相应结构及材料的热电性能优化方法也进行了阐述。最后,作者对分子热电学的研究现状和发展前景做出了总结与展望。

研究者相信,该综述将会为相关研究人员提供有价值的参考,相关综述论文以”Nanoscale Organic Thermoelectric Materials: Measurement, Theoretical Models, and Optimization Strategies”为题发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201903873) 。