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Zn-Sb合金体系电子结构及热电性能研究

苏杰  
【摘要】:Zn-Sb合金热电性能优越、无毒,是一种应用前景广泛的热电材料。人们通过实验对其从制备到热电性能分析等进行了大量的研究。但理论分析并不全面,热电性能的主要影响因素尚不明确,欠缺理论方面的系统研究。采用基于密度泛函理论的第一性原理计算对Zn-Sb合金体系(包括Zn Sb,Zn4Sb3)的电子结构进行了研究,计算了材料的电子结构、输运特性以及热电性能。首先利用WIEN2k软件包对晶体结构进行自洽计算,得到能带,态密度,电荷密度等。然后利用基于玻尔兹曼理论的Boltz Tra P代码对材料的输运及热电性能进行计算,获得塞贝克系数曲线,热导率弛豫时间比曲线,电导率弛豫时间比曲线以及热电优值曲线。计算结果显示,Zn Sb为间接带隙半导体,价带顶与导带底的位置分别偏离X点和Z点,禁带宽度约为0.35e V,接近实验值0.5e V。体系中Zn原子与Sb原子构成不规则菱形链状结构,原子间成键方式为离子键与共价键共同作用。随着温度的升高,Seebeck系数在不同掺杂浓度下先增大后减小。当载流子浓度为1019cm-3时,Seebeck系数在400K时取得最大值约为196μV/K,与实验值200μV/K非常接近。热电优值随着载流子浓度的升高先增大后减小,变化趋势符合实验测定,在载流子浓度为1019cm-3时,热电优值在300K时取得最大值,约为0.72。计算了四种最有可能的β-Zn4Sb3结构(全占据模型、Mayer模型、空位模型和间隙Zn原子模型)的电子结构及热电特性。表明,由于原子占有几率不同,四种β-Zn4Sb3结构的原子比并不是严格的整数比,Mayer模型和间隙Zn原子模型更接近实际参数,而且后者的密度值与实际参数更吻合。四种结构的能带在价带顶处均出现了少量杂质能级,这种质杂能级主要由Zn原子的p态轨道电子和Sb原子的p态轨道电子杂化而成的,而杂质能级的高低主要取决于Zn原子p态轨道电子的变化。四种结构的态密度在价带顶处分布比较均匀,只出现了不太尖锐的小峰,这说明此电子的非局域化性质比较强,原子轨道扩展较强,载流子有效质量较小,材料表现出相对良好的导电性能。价带顶附近表现出来的局域性主要来源于Sb原子的p态轨道电子对态密度的贡献。从Seebeck系数的计算上看,全占据模型与实验值相差较大,Mayer模型以及间隙Zn原子模型与实验值相差较小,而间隙Zn原子模型的Seebeck系数更大。从热导率及电导率的计算上来看,在相同温度下,间隙Zn原子模型具有最低的热导率和相对较高的电导率,表现出强于其它三种结构的热电及输运特性,是最接近实验值的结构。从热电优值来看,四种结构的最大值都接近实验值,但从整体变化趋势来看Mayer模型和间隙Zn模型与实验值更吻合。


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