含稀土元素的半赫斯勒化合物热电性能的理论研究

【摘要】：由于严重的能源危机和环境污染,人类社会对可持续性清洁能源的需求越来越强烈。热电材料能够实现热能和电能的直接相互转换,因而吸引了科学界和工业界的广泛关注。热电材料的转换效率通常由无量纲的指数ZT来表示:ZT=S2oT/(kL+ke),其中S、σ、kL和ke分别为材料的Seebeck系数、电导率、晶格热导率和电子热导率,T为绝对温度。ZT值越大,材料的热电性能越好。但是同一种材料的S、σ和ke是相互关联的,并且都与载流子浓度有关,故很难大幅度提高材料的ZT值。特别是对于块体材料,获得一个高的ZT值是一个很大的挑战。在过去二十多年的时间里,半赫斯勒化合物的热电性能得到了广泛的研究,特别是(Ti,Zr,Hf)NiSn和(Ti,Zr,Hf)CoSb体系,但是它们的ZT值都在1左右,主要是因为大多数半赫斯勒化合物具有较大的热导率(10 W/mK的量级),这无疑严重地制约了其热电性能的提升。最近的理论研究发现,某些含稀土元素的半赫斯勒化合物如LaPtSb具有较低的晶格热导率(1.7 W/mK@300 K),预示着其潜在的热电性能。本文结合密度泛函理论、电子和声子的玻尔兹曼输运理论研究了两类含有稀土元素的半赫斯勒化合物LaPtSb和LaPtBi的电子、声子、以及热电输运性能。我们首先研究了 LaPtSb化合物的室温热电性能。PBE+U的计算发现,该化合物具有0.23 eV的直接带隙。研究表明,在合适的载流子浓度下,LaPtSb化合物具有很大的功率因子,特别是其n型体系,功率因子达到0.43 W/mK~2。结合其较低的晶格热导率,LaPtSb化合物的室温ZT值可达2.2,明显优于许多典型的半赫斯勒化合物的热电性能。我们还讨论了具有能带翻转的LaPtBi化合物的热电性能。与LaPtSb相比,该化合物的能带在r点存在翻转现象,其晶格热导率随温度的增加而单调下降,通过优化载流子浓度,体系的ZT值在1000 K可达0.4(p型)和1.6(n型)。此外,我们还比较了三种不同应变(静水压、单轴应变、改变c/a的比例)对LaPtBi化合物能带结构的影响,特别是其带隙和带序的变化。研究发现,通过选择合适的应变方式,体系的晶格热导率显著下降,进而提升p型体系的热电性能。