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Mg_2Si_xSn_(1-x)热电材料的电子结构与输运性能研究

朱岩  
【摘要】:随着全球环境的日益恶化,人们越来越关注能源和环境问题。而目前所使用的能源中有三分之二的能量是以废热的形式损失了。这就需要高性能的热电材料将废热直接转换为电能。然而,目前研究较为成熟的热电材料主要由Pb,Sb,Te,Bi等贵重且有毒的元素组成。这些热电材料的大规模生产势必会给环境带来沉重的负担。而Mg_2Si_xSn_(1-x)基热电材料因其组成元素资源丰富、价廉且无毒被认为是中温区最具有潜力的绿色热电材料之一。但至今为止,其热优值最大值为1.55,与期望达到的阈值2,还有很大的差异。本文基于密度泛函理论和玻尔兹曼输运理论,从微观的电子结构出发探索影响Mg_2Si_xSn_(1-x)的输运性能的物理机理,并寻求提高其热电性能的方法。同时为该材料的实验制备提供理论依据和方向,这一过程将大大降低研究成本,缩短实验周期,增强实验的科学性和针对性。首先分别采用广义梯度势(GGA)和修正的半局域Becke-Johnson泛函(GGA+mBJ)两种电子交换关联势,计算了Mg2Si和Mg2Sn的电子结构和电子输运性能,发现GGA+mBJ势更适用于研究Mg_2Si_xSn_(1-x)的电子结构及热电性能。在此基础上,利用半经典的玻尔兹曼理论与Ong的经验公式推导出Mg2Si和Mg2Sn在不同温度时,各热电参数随掺杂浓度的变化关系,从理论推导出它们可达到的最大功率因数及热优值,及对应的最佳掺杂浓度。从微观的电子结构揭示Mg2Si和Mg2Sn热电性能存在较大差异的原因。其次采用应变模拟静水压的方法,更直观的展现了Mg2Si和Mg2Sn在静水压作用下的电子结构性能和电子输运性能变化规律。发现静水压的作用可改变n型载流子的输运性能。通过分波能带结构图,揭示了Mg2Si和Mg2Sn的导带底两条能带成分的差异,解释了它们在静水压的作用下电子输运性能差异的原因。当应变值达到一定数值时,导带底两条能带发生简并,此时化合物的电子输运性能达到最好,表明通过能带调控可有效地改变材料的热电性能。采用特殊准随机方法(SQS)构建无序固溶体Mg2Si0.3Sn0.7结构。系统的分析了晶体结构、声子谱、及电子性能,表明SQS方法可以很好的重现材料自身的物理性能。结合半经典的玻尔兹曼方程和单抛物带模型,推导出Mg2Si0.3Sn0.7在不同掺杂浓度下的电子输运性能随温度的变化关系。为Mg2Si0.3Sn0.7材料的研究提供了详细可靠的参考数据。并从微观角度解释了Mg2Si0.3Sn0.7具有较好的热电性能的原因。指出掺杂元素形成固溶体,一方面可调控材料的能带结构,另一方面可降低材料的热导率,从而改善材料的热电性能。最后利用声子玻尔兹曼理论,系统的研究了Mg2Si0.4Sn0.6的晶格动力学。首次给出Mg2Si0.4Sn0.6在不同温度下的本征晶格热导率。通过对Mg2Si0.4Sn0.6的平均自由程与累计热导率的关系研究,表明纳米化技术可大幅度降低其热导率。此外,为了更清楚的了解双极效应在窄带半导体热电材料中的作用,结合玻尔兹曼电子输运理论和SPB模型,计算Mg2Si0.4Sn0.6的电子输运性能。理论与实验对比发现,在高温时双极热导率可比拟甚至超过材料本征的晶格热导率。因此,从抑制双极效应角度出发设计高效能Mg_2Si_xSn_(1-x)热电材料是十分可行的方法。


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