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若干块体及低维热电材料输运性质的理论计算研究

魏杰  
【摘要】:由于能源危机和环境污染,寻找先进的清洁能源材料引起了科学界和工业界的广泛关注。其中热电材料能实现热能和电能的直接相互转换,非常适合于解决目前面临的能源问题。常规的半导体热电材料的优值系数(ZT值)约为1.0左右,无法与传统的能量转化方式相媲美。为了进一步提高材料的热电性能,在过去几十年,人们一直在努力寻找具有较高ZT值的新型热电材料,比如方钴矿和黄铜矿化合物等等。另一方面,Hicks等人从理论上提出低维化可以大幅度提高材料的ZT值。这主要是由于量子限制效应增加了体系的功率因子,同时声子边界散射有效地降低了体系的热导率。本论文结合第一性原理、Boltzmann输运理论以及分子动力学方法研究了CuInTe2化合物以及若干二维和一维体系的电子、声子和热电输运性质。我们首先研究了块体CuInTe2的电子特性,杂化泛函计算发现该体系的带隙为0.92 eV,与实验值符合得很好。与通常的窄带隙热电材料相比,CuInTe2具有较大的Seebeck系数。Boltzmann输运计算表明,在合适的载流子浓度下,体系的电导率和功率因子可以得到显著的优化。由于CUInTe2具有本征低热导率,体系的最优ZT值在850 K时达到1.72。我们的理论计算表明,CuInTe2的热电性能还有进一步提升的空间。接下来我们利用分子动力学方法计算了CuInTe2的晶格热导率。通过拟合第一性原理的总能计算,我们确定了描述原子间相互作用的Morse势参数。在一个较宽的温度范围内(300~900 K),我们的分子动力学模拟结果与实验测量数据以及利用声子Boltzmann输运方程计算的结果一致。另外,通过在In位掺杂Cd和引入Cu空位,体系的晶格热导率还可以得到有效降低,从而进一步优化该体系的热电性能。我们还讨论了石墨烯纳米带嵌入到BN单层中形成的复合体系的热电性能。研究发现,该体系具有较大的载流子弛豫时间、较大的Seebeck系数、以及较低的晶格热导率,因而表现出非常优异的热电性能。通过调节石墨烯纳米带的宽度,可以使该复合体系的最优ZT值出现在不同的温度范围,由此可以设计出宽温域的高性能热电材料。最后,我们探讨了两种不同手性的SiGe纳米管的热电性能。与碳纳米管不同,SiGe纳米管都具有起伏的表面结构。(6,6)和(10,0)纳米管都是直接带隙的半导体。计算发现,这两种纳米管的Seebeck系数和弛豫时间都明显大于相应的块体材料。由于边界散射以及合金散射引起的低热导率,这两种SiGe纳米管表现出优异的热电性能。另外,SiGe纳米管的ZT值明显依赖于纳米管的手性、直径以及温度。


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