机器学习在热电材料领域的应用

在追求可持续发展的未来,热电材料是不可或缺的.它在全固态发电和制冷方面具有十分广泛的应用前景.在过去的几十年间,人们一直致力于寻找新型高性能热电材料.然而,传统的实验试错法效率较低,限制了新材料的研究步伐.机器学习作为一种具有强大数据分析能力的方法,近年来已越来越多地应用于热电材料的研究.这篇综述总结了热电材料研究领域常用的机器学习方法,系统地介绍了它们在材料结构、电子和热电输运等性质上的应用案例和相关研究进展,并对该领域的发展前景进行了展望.     

电子-声子相互作用对平行双量子点体系热电效应的影响

量子点体系是一种典型的低维体系, 该体系的独特物理特性有利于提高热电转换效率. 本文采用非平衡态格林函数方法, 选择平行双量子点结构, 详细讨论了电子-声子相互作用对该体系的电导、热电功率、热电优值以及热导等热电效应相关参数的影响, 全面描述了电子-声子相互作用对该结构中热电效应的影响. 理论计算结果表明, 在低温情况下, 该体系中的法诺干涉能够有效增强热电效应, 而电子-声子相互作用通过破坏法诺干涉而在一定程度上抑制电导以及热导过程. 然而, 电子-声子相互作用不会显著地影响热电功率的幅值, 并且热电优值的极值几乎不会改变, 因此在低温条件下电子-声子相互作用并不是破坏量子点体系热电效应的必要条件. 本文的结果将有利于澄清电子-声子相互作用对量子点体系热电效应的影响.     

低维纳米材料热电性能测试方法研究

通过近几十年的研究,人们对于块体及薄膜材料的热电性能已经有了较全面的认识,热电优值ZT的提高取得了飞速的进展,比如碲化铋相关材料、硒化亚铜相关材料、硒化锡相关材料的最大ZT值都突破了2.但是,这些体材料的热电优值距离大规模实用仍然有较大的差距.通过理论计算得知,当块体热电材料被制作成低维纳米结构材料时,比如二维纳米薄膜、一维纳米线,热电性能会得到显著的改善,具有微纳米结构材料的热电性能研究引起了科研人员的极大兴趣.当块体硅被制作成硅纳米线时,热电优值改善了将近100倍.然而,微纳米材料的热电参数测量极具挑战,因为块体材料的热电参数测量方法和测试平台已经不再适用于低维材料,需要开发出新的测量方法和测试平台用来研究低维材料的热导率、电导率和塞贝克系数.本文综述了几种用于精确测量微纳米材料热电参数的微机电结构,包括双悬空岛、单悬空岛、悬空四探针结构,详细介绍了每一种微机电结构的制备方法、测量原理以及对微纳米材料热电性能测试表征的实例.     

二维MoS2/MoSe2异质材料的电子结构和热电性质研究

利用密度泛函理论结合玻尔兹曼输运理论计算体相和双层二维MoS₂/MoSe₂异质材料的热电性质. 计算表明,体相MoS₂/MoSe₂异质材料的热电性质比之于MoSe₂会有较大程度的提高. 该异质材料热电性质的提高主要源于异质材料本身带隙的减小以及层间的范德瓦尔斯相互作用. 二维MoS₂/MoSe₂异质材料存在热电应用的可能性.     

二维材料热传导研究进展

以石墨烯和氮化硼为代表的二维材料为研究低维体系热传导及其相关界面热阻提供了一个绝佳的平台.近年的研究表明,二维材料热导率有着丰富的物理图像,如长度效应、维度效应、同位素效应及各向异性等.本文详细综述近十年来二维材料在热传导方面的研究进展.首先简述二维材料热传导测量技术的原理及发展,如热桥法、电子束自加热法、时域热反射法及拉曼法等;其次,介绍二维材料热传导及界面热阻的实验研究进展,讨论其相关物理问题;最后,介绍二维材料在散热应用方面的研究进展,并进行总结、指出存在的问题及进一步展望二维材料未来在散热领域的研究方向与前景.     

硒化亚铜薄膜热电性能研究进展

热电材料可以实现热能和电能的相互转换,它是一种环境友好的功能性材料.当前,热电材料的热电转换效率低,这严重制约了热电器件的大规模应用,因此寻找更加优异热电性能的新材料或提高传统热电材料的热电性能成为热电研究的主题.与块状材料相比,薄膜具有二维的宏观性质和一维的纳米结构特性,方便研究材料的物理机制与性能的关系,还适用于制备可穿戴电子设备.本文总结了Cu₂Se薄膜5种不同的制备方法,包括电化学沉积、热蒸发、旋涂、溅射以及脉冲激光沉积.另外,结合典型事例,总结了薄膜的表征手段,并从Cu₂Se的电导率、塞贝克系数和热导率等参数出发,讨论了各个参数对热电性能的影响机制.最后介绍了Cu₂Se薄膜热电的热门应用方向.     

强关联材料中自旋熵增强电势

热电势是凝聚态物质研究中的重要参量 .当样品棒的两端存在温差 ,电荷载流子将产生从高温端向低温端的扩散 .扩散导致了反向电场的建立 ,当电场的静电力与扩散力平衡 ,扩散停止 ,结果棒两端的电压与温差成正比 ,即｜α｜=E T,其中E是电场强度 , T是温度梯度 ,比例系数α是Seebeck系数 .热电材料已经在发电和制冷等领域获得了广泛的应用 ,例如 ,为“探测者”宇宙飞船提供电力、冷却豪华轿车中的座椅等 .金属和半导体均具有热电效应 ,但目前的应用多为半导体热电材料 .这是因为金属中的热电效应比半导体弱得多 :在室温Cu的Seebeck系数小于 …     

热电材料研究中的基础物理问题

热电转换技术主要包括利用半导体材料的泽贝克（Seebeck）效应将热能直接转化成电能和利用佩尔捷（Peltier）效应直接将电能转化成热能.文章简单回顾了热电转换材料中的物理效应及相关研究进展,重点介绍了常规热电材料（即窄带半导体）中的一些基本物理问题,其中包括一个好的热电材料应该具有的特性,以及提高半导体材料的电导率和泽贝克系数,降低热导率的物理机制和方法.文章还介绍了近年来电子晶体-声子玻璃类材料以及低维热电材料等热点问题的研究进展.最后还简单讨论了非常规热电材料的研究现状与趋势.     

二维平面和范德瓦耳斯异质结的可控制备与光电应用

自石墨烯被发现以来,二维材料因其优异的特性获得了持续且深入的探索与发展,以石墨烯、六方氮化硼、过渡金属硫化物、黑磷等为代表的二维材料相关研究层出不穷.随着二维新材料制备与应用探索的不断发展,单一材料性能的不足逐渐凸显,研究者们开始考虑采用平面拼接和层间堆垛所产生的协同效应来弥补单一材料的不足,甚至获得一些新的性能.利用二维材料晶格结构的匹配构建异质结,实现特定的功能化,或利用范德瓦耳斯力进行堆垛,将不同二维材料排列组合,从而在体系里引入新的自由度,为二维材料的性质研究和实际应用打开了新的窗口.本文从原子制造角度,介绍了二维平面和范德瓦耳斯异质结材料的可控制备和光电应用.首先简要介绍了应用于异质结制备的常见二维材料的分类及异质结的相关概念,然后从原理上分类列举了常用的表征方法,随后介绍了平面和垂直异质结的制备方法,并对其光电性质及器件应用做了简要介绍.最后,对领域内存在的问题进行了讨论,对未来发展方向做出了展望.     

低维微纳尺度体系声子热传导和热调控:来自芯片散热的非平衡统计物理问题

半导体芯片发展路线图上的一个障碍是“热死(heat death)”,也就是大量热量的产生而导致芯片被烧毁.所以散热问题成为进一步发展半导体工业亟待解决的关键问题.芯片里的热传导包含一维和二维材料中声子热传导以及声子通过不同材料间的界面热传导.本文总结了过去30年来一维、二维和界面声子热传导的主要理论和实验进展,重点介绍了一维体系声子热传导发散的物理机制以及反常热传导和反常扩散之间的关系.本文还简要讨论了与此相关的非平衡态统计物理的基本问题:从给定的哈密顿量出发是否能够推导出宏观输运行为.本文从微观图像的角度讨论了调控声子热传导的几种方法:纳米声子晶体,纳米热超材料,界面和声子凝聚等.为了让读者全面了解声子热传导,还简要地介绍了其他声子热输运现象,包括热导量子化、声子热霍尔效应、手性声子,以及声子与其他载流子之间的相互作用.最后,本文讨论了声子热传导研究面临的挑战和机遇,包括声子在量子信息和技术中的潜在应用.     

低维超导的实验进展

超导自发现以来, 已成为凝聚态物理领域最重要的方向之一. 近年来, 低维材料制备技术的进步使得一维或二维的超导特性实验研究成为可能. 本文在简要介绍超导现象的基础上, 重点回顾了近些年二维超导薄膜和一维超导纳米线的制备和电输运研究, 以及在低维超导体中发现的相移、近邻效应、铁磁超导相互作用和高温超导等新奇的现象, 并对该领域的进一步发展做出了展望.     

二维材料解理技术新进展及展望

自从2004年首次制备出石墨烯以来,机械解理技术被广泛用于制备过渡金属二硫族化合物、黑磷等各种二维材料.在多种二维材料制备技术中,机械解理技术具有制备方法简单、普适性好等优点,最重要的是解理得到的晶体质量高,是研究很多新奇物性的理想选择.本文介绍了机械解理技术的产生背景,总结了常规机械解理技术在二维材料研究过程中的瓶颈.为了解决常规机械解理技术制备效率低、样品尺寸小的问题,一些新型机械解理技术近年来不断发展起来,如氧气等离子体辅助法和金膜辅助法等.作为自上而下的二维材料制备方法,新的解理技术在未来二维材料基础研究和应用中仍然充满生机.未来解理技术将朝更大尺寸,更高质量方向发展.     

高场水冷磁体上的高精度热电测量装置

拓扑材料是凝聚态物理近些年的一个重要研究领域. 在对拓扑材料的研究中, 利用较强的磁场可以观测到高度局域电子态中出现的新奇量子态与物理效应. 热电效应是指受热材料中的载流子随着温度梯度由高温区往低温区移动时, 所产生的电荷堆积的一种现象. 热电效应是探究强磁场下拓扑材料反常物性的一种非常有效的手段. 然而关于拓扑材料热电效应在强磁场下的研究较少, 这主要是因为水冷磁体上缺乏热电效应的相关表征手段.本文针对水冷磁体在工作时机械振动很强且变场速率快的特点, 改进了传统的热电测量装置, 实现了在水冷磁体中32 T 磁场下高精度的热电测量. 通过对拓扑材料 ZrTe5 和 ZrSiSe 的热电效应进行测量, 验证了该装置的有效性.     

能源效率、热电效应和纳米技术

文章介绍了能源效率、热电效应以及纳米技术这三者之间的关系。文章首先讨论了能源效率的重要性以及余热浪费对能源效率的影响,然后介绍了材料的热电效应以及利用热电效应使余热发电的可能性和实际应用中的主要障碍。最后阐明了近年来纳米技术的发展使得这一技术有可能取得突破性进展的主要原因。     

超高真空条件下分子束外延生长的单层二维原子晶体材料的研究进展

二维原子晶体材料具有与石墨烯相似的晶格结构和物理性质,为纳米尺度器件的科学研究提供了广阔的平台.研究这些二维原子晶体材料,一方面有望弥补石墨烯零能隙的不足;另一方面继续发掘它们的特殊性质,有望拓宽二维原子晶体材料的应用领域.本文综述了近几年在超高真空条件下利用分子束外延生长技术制备的各种类石墨烯单层二维原子晶体材料,其中包括单元素二维原子晶体材料(硅烯、锗烯、锡烯、硼烯、铪烯、磷烯、锑烯、铋烯)和双元素二维原子晶体材料(六方氮化硼、过渡金属二硫化物、硒化铜、碲化银等).通过扫描隧道显微镜、低能电子衍射等实验手段并结合第一性原理计算,对二维原子晶体材料的原子结构、能带结构、电学特性等方面进行了介绍.这些二维原子晶体材料所展现出的优异的物理特性,使其在未来电学器件方面具有广阔的应用前景.最后总结了单层二维原子晶体材料领域可能面临的问题,同时对二维原子晶体材料的研究方向进行了展望.     

有限元方法在中子测井数值模拟中的应用

讨论了有限元方法在中子测量井数值模拟中的应用。用有限元方法求解多群Ｐ１近似中子输运方程，编制了二维有限元程序ＦＥＭＬＯＧ，并对中子测井问题进行了数值计算，所得结果同国际通用二维ＳＮ程序的计算结果进行了比较，二者符合良好，但其计算速度比ＳＮ方法快得多。     

Nd2CuO4及其微量Zn掺杂单晶样品的传输性质研究

用助溶剂方法高温烧制了电子型超导体母体材料Nd2CuO4及其微量Zn掺杂的单晶样品,并系统地研究了在15～300K范围内样品的电阻率和热电势行为.两者在25～200K之间的温区都表现相同的物理行为高温区为半导体热激活行为,低温区为二维变程跳跃行为.在206K附近发现了反铁磁转变对热电势行为影响的精细峰和弛豫现象.我们的实验结果表明在180K以上温区载流子的行为不满足传统的能带理论.退火对25K以下的温区的热电势的行为有非常显著的影响,其本征的物理性质还需要深入的研究.     

低维限域结构中水与物质的输运

低维限域结构中水与物质的输运研究,对于解决界面化学和流体力学中的遗留问题十分关键.近年来,研究人员采用分子动力学模拟和实验手段研究低维限域结构中水与物质的输运,并将其应用于物质输运、纳米限域化学反应、纳米材料制备等领域.本文从理论和实验的角度总结一维和二维纳米通道的水与物质输运,介绍了本研究组提出的"量子限域超流体"概念,并用于解释纳米通道中超快物质的输运现象;在此基础上概述了一维纳米通道中的分子动力学模拟和水浸润性,以及外部环境(如温度和电压)对限域结构中水浸润性的调控,同时阐述了低维限域结构中的液体输运;对二维纳米通道中的分子动力学模拟、液体浸润性以及液体输运进行了综述;讨论了纳米通道限域结构在物质输运、纳米限域化学反应和纳米材料制备等领域的应用;对低维限域结构中水与物质输运面临的挑战和前景进行了展望.     

新型二维材料在固体激光器中的应用研究进展

本文主要介绍了二维可饱和吸收体材料在固体激光器中的应用与研究进展。简要介绍了新型二维材料的性质和优点。以石墨烯、拓扑绝缘体、过渡金属硫化物和黑磷等新型二维材料为例分析了它们在固体激光器中实现调Q或锁模的过程,展示了二维材料在脉冲固体激光研究中的重要应用前景。二维材料与固体激光器的结合,可进一步推进二维材料的研究,有望开发出大量新型固体激光器件并且作为基础光源应用于多个领域,推动相关领域的发展。     

二维范德瓦尔斯异质结构的制备与物性研究

二维范德瓦尔斯材料(可简称二维材料)已发展成为备受瞩目的材料大家族,而由其衍生的二维范德瓦尔斯异质结构的集成、性能及应用是现今凝聚态物理和材料科学领域的研究热点之一.二维范德瓦尔斯异质结构为探索丰富多彩的物理效应和新奇的物理现象,以及构建新型的自旋电子学器件提供了灵活而广阔的平台.本文从二维材料的转移技术着手,介绍二维范德瓦尔斯异质结构的构筑、性能及应用.首先,依据湿法转移和干法转移的分类,详细介绍二维范德瓦尔斯异质结构的制备技术,内容包括转移技术的通用设备、常用转移方法的具体操作步骤、三维操纵二维材料的方法、异质界面清洁.随后介绍二维范德瓦尔斯异质结构的性能和应用,重点介绍二维磁性范德瓦尔斯异质结构,并列举在二维范德瓦尔斯磁隧道结和摩尔超晶格领域的应用.因此,二维材料转移技术的发展和优化将进一步助力二维范德瓦尔斯异质结构在基础科学研究和实际应用上取得突破性的成果.