几种应用前景广阔的热电材料的第一性原理研究

摘要

为了缓解“能源危机”和环境污染给人类社会发展带来的种种威胁，各国科学家都在致力于寻求高效、无污染的新的能量转化利用方式。热电材料作为一种新型的能源材料，它利用固体中载流子和声子的输运特性及其相互作用的规律，实现了热能和电能之间的直接相互转化。具有无污染、无噪音、无磨损、体积小、反应快、易于维护、安全可靠等优点，有着极其广阔的应用前景。但热电材料的热电转换效率比较低，至今没有得到大规模应用。探索具有较高转换效率的新型热电材料具有重要的科学意义和实用价值。本论文主要采用基于密度泛函的第一性原理计算方法以及半经典玻尔兹曼理论研究了氧化物热电材料BiCuSeO和层状热电材料 SnSe以及黄铜矿热电材料CuGaTe2的电子结构和热电特性。本论文共分为七章：
　　第一章主要概括叙述了热电材料的相关研究背景。
　　第二章对本论文理论基础和研究方法进行了简单介绍。
　　第三章研究了CuGaTe2的电子结构和热电特性。我们使用TB-mBJ的交换关联势对CuGaTe2的电子结构和热电特性进行了研究。计算发现n型的CuGaTe2在导带底出现了多能谷的汇聚，多能谷汇聚可以在电导率不明显减小的情况下获得较大的塞贝克系数，使n型CuGaTe2的热电性能得到了明显的提高。
　　第四章研究了晶格畸变对CuGaTe2的电子结构和热电特性的影响。研究表明：(1) CuGaTe2的能带结构及热电性质对于晶格参数的变化较为敏感，在4 GPa的压强下，n型CuGaTe2的能带在导带底的M点和Γ点出现了汇聚现象，这将有利于n型CuGaTe2的热电性能的提高。(2)各向异性的输运性质的计算表明，在4 GPa的压强下，n型CuGaTe2的功率因子比上弛豫时间的值沿x和z方向均有了明显提高。但是，p型CuGaTe2的功率因子比上弛豫时间的值沿x方向基本不变，沿z方向下降较多。(3)在4 GPa的压强下，由于n型 CuGaTe2的能谷汇聚的原因，其功率因子比上弛豫时间的最大值由5.7×1011 W K-2 m-1 s-1提高到了6.8×1011 W K-2 m-1 s-1，热电性质得到了明显的改善，而p型CuGaTe2的功率因子比上弛豫时间的最大值在加压后由5.5×1011 W K-2 m-1 s-1下降到了4.9×1011 W K-2 m-1 s-1。
　　第五章研究了BiCuSeO的电子结构和热电特性。结果表明n型的BiCuSeO的热电性能与 p型的 BiCuSeO相比有了明显的提高，ZT值提高了32％。通过分析发现：Cu和Se原子之间没有形成导电通路，这是 p型 BiCuSeO电导率低的主要原因。p型BiCuSeO费米能级附近的DOS主要是由Cu d轨道和Se p轨道提供的，所以Cu和Se原子是p型BiCuSeO塞贝克系数较高的主要原因。由于在CBM附近沿c方向容易形成导电通道，所以对n型 BiCuSeO来说，电子的有效质量小于空穴的有效质量。n型BiCuSeO呈现出比p型BiCuSeO更高的功率因子，这是因为n型BiCuSeO具有相对较高的电导率的同时，塞贝克系数并没有明显的降低。因此，在高温下 n型掺杂的BiCuSeO的最大的ZT值得到了明显的提高。
　　第六章研究了SnSe的电子结构和热电特性。对于p型的SnSe来说，在VBM附近，在每一层的层内，Sn的s和p电子被最近邻的Se的p电子所排斥，这导致了沿a方向最低的电导率。沿b和c方向最容易形成空穴的导电通道，这使得p型的SnSe沿b和c方向具有较高的电导率。在CBM附近，Sn和Se的p电子主要是沿a方向分布的，所以沿a方向最容易形成导电通道，这是n型SnSe沿a方向电导率和塞贝克系数都比较高的原因。在770 K时，沿a方向粗略估计的n型SnSe的最高ZT值大约为3.1，对应的载流子浓度是2.8×1019 cm-3。
　　第七章对本论文的工作进行了总结，并对未来的研究工作进行了展望。

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第一章 绪论

1.1 热电材料简介

1.2 热电材料的性能测试

1.3提高热电材料性能的途径

1.4热电材料的研究现状

1.5硫族化合物热电材料简介

参考文献

第二章 第一性原理简介

2.1 常用的计算方法介绍

2.2 第一性原理的基本方法

2.3 多粒子系统薛定谔方程的三个近似

2.4 密度泛函理论

2.5 交换关联泛函

2.6 TB-mBJ势介绍

参考文献

第三章 能带汇聚提高了n型CuGaTe2的热电性能

3.1 研究背景

3.2 计算方法

3.3 结果和讨论

3.4 本章小结

参考文献

第四章 晶格畸变对CuGaTe2热电性能的影响

4.1 研究背景

4.2 计算方法

4.3 结果和讨论

4.4 本章小结

参考文献

第五章BiCuSeO热电性能的第一性原理研究

5.1 研究背景

5.2计算细节

5.3 结果和讨论

5.4本章小结

参考文献

第六章 n型和p型SnSe的优异热电特性：第一性原理研究

6.1研究背景

6.2 研究方法

6.3 结果和讨论

6.4本章内容小结

参考文献

第七章 结论与展望

7.1结论

7.2 展望

博士期间完成的论文

致谢

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