两种材料的热电性质的第一性原理研究

【摘要】：能源是人类赖以生存和发展的基础,能源供应的需求正在引起社会和政治动乱的剧烈升级。如今化石燃料的大量燃烧引起了各种各样的环境问题。以上这些均迫使着我们寻找效率高且对环境无害的可持续发展能源。而热电材料能够实现电能与热能的直接地相互转化,并有着无气体排放、无需任何机械传动部件、易于维护、对环境无害、使用寿命长等优点,可以说它有着广泛的应用前景。本文使用第一性原理并结合半经典玻尔兹曼输运方程,分别研究了half-Heusler合金CoNbSn和单层GeSe的电子、声子和热电性质:通过对CoNbSn的研究,我们发现在300K-900K温度范围内,赛贝克系数最大能够达到1652mKV。而且P型CoNbSn的电子输运性质要比N型CoNbSn的好,这体现在P型CoNbSn具有较大的功率因子。当温度为900K时,P型CoNbSn的功率因子最大能够达到2.23×1012WK-1m-1s-1,对应的化学势为-0.59e V,而N型CoNbSn能够获得的最大功率因子只有1.35×1012WK-1m-1s-1,对应于化学势0.62e V。以上均表明CoNbSn合金是一种较好的高温热电材料。通过对单层GeSe纳米片的研究,利用Sheng BTE软件,我们得到了单层GeSe的晶格热导率,在室温下相应的晶格热导率分别为6.36 KW m(y轴方向上)和5.49 KW m(x轴方向上)。我们发现单层GeSe的最佳输运方向为x轴方向,在这个方向上单层GeSe能够获得的最大热电优值为1.51(T=700K),对应的掺杂浓度为1.04×1020cm-3,为N型掺杂。P型掺杂时能够得到的热电优值最大只有0.98。这说明N型单层GeSe的热电输运性能明显好于P型单层GeSe。计算得到的较大的热电优值表明单层GeSe纳米片是一个潜在的高性能热电材料。