单壁碳纳米管热电性质的理论分析.doc

文档介绍：中国工程热物理学会学科类别传热传质
学术会议论文编号:123247
单壁碳纳米管热电性质的理论分析基金项目: 国家自然科学基金-广东联合基金(No. U1034004)
王晓明,莫冬传,潘亚宏,吕树申
(中山大学化学与化学工程学院,广州 510275)
(Tel:[phone], Email:******@.)
摘要本文基于密度泛函理论和非平衡格林函数方法分别研究了金属和半导体单壁碳纳米管的电子、声子的输运性质,分别比较了电子和声子对碳纳米管热导的贡献,指出金属性碳管的电子对热导的贡献不可忽略,进而分析了温度以及掺杂水平对碳纳米管热电性质的影响,最后得到半导体型碳管具有较高的ZT,可以通过适当的掺杂提高碳管的热电性能。
关键词单壁碳纳米管、热电性质。
0 前言
热电材料由于其在制冷和发电领域的潜在应用价值近年来得到人们广泛的关注。热电材料的优劣由无量纲热电优值系数ZT表征:ZT=S2σT/(κe+κph)。式中S为Seebeck系数,σ为电导率,T为绝对温度,κe为电子热导率,κph为声子热导率。好的热电材料应具有高的功率因子S2σ和低的热导率(κe+κph),但是这几个因子的变化是相互关联的。1993年,Hicks等人[1]理论上预测了低维纳米材料能够获得相对于其块体材料高很多的ZT值。其原因在于,低维纳米结构能够有效的提高热电材料的功率因子同时降低了材料的声子热导率。
T)作为准一维纳米材料,表现出了优异的导电导热性能,T能否作为热电材料呢?Tan等人[2]结合分子动力学(MD)和非平衡格林函数方法(NEGF),分别比较了纯净的,化学吸附的和纳米管束的热电性能,得到了相当高的ZT值。Jiang等人[3]采用了分子力学经验的势能函数研究声子输运,基于紧束缚近似(TB)下的NEGF研究电子输运,T热电性质的影响。无论是分子动力学还是分子力学都强烈依赖于描述原子间相互作用的经验势能函数,因此本文完全从无参数化出发,基于密度泛函理论(DFT)并结合NEGF,研究单壁碳纳米管(T)的热电性质。
1模型与计算方法
本文基于密度泛函理论(DFT)[4]与非平衡格林函数方法(NEGF)[5]研究单壁碳纳米管的热电性质。非平衡格林函数方法的计算模型如图1所示包括三部分,两边是半无限大的只有线性相互作用的电极/热沉,中间部分通过线性相互作用与两边耦合,T,研究中不考虑中间区域的非弹性散射。原子间的力常数矩阵通过DFT以及密度泛函微扰理论(DFPT)得到,电子的哈密顿矩阵则通过DFT与最大局域化的瓦尼尔函数
[6]得到。
DFT的计算通过Quantum Espresso软件包[7]实现。计算中采用超软赝势描述电子离子的相互作用,LDA的交换关联势。25Ry的电子波函数截断,300Ry的电荷密度截断,以及1×1×6的MP网格达到了很好的收敛效果。整个结构进行了弛豫,.。
图1 NEGF计算模型。T被分成三部分:LCR

NEGF用于声子输运
根据NEGF,T的推迟格林函数可表示为:
(1)
式中ω为声子的频率,I为单位矩阵,KC是力常数矩阵;为左右两端的自能,描述两端与中间部分的相互作用,其中VβC(β=L,R) 是中间与