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失配层钴酸盐及掺杂系列的电子结构与热电性能

黄为  
【摘要】:Ca3Co4O9及其掺杂系列是目前中高温领域最具应用前景的热电材料之一,为了优化热电转化效率,国内外研究人员对Ca3Co4O9进行了掺杂改性研究,对其热电转化效率有着不同程度的提高,之前的研究和文献主要集中在实验方面,但实验周期跨度较长,耗费的资源也多,理论计算研究正好可以弥补这些不足。 本文以Ca3Co4O9作为研究对象,用离散变分密度泛函方法(DFT-DVM)进行了计算,讨论了态密度,共价键以及离子键与Ca3Co4O9的热电性能之间的关系,解释了Ca3Co4O9具有良好热电性能的原因。计算并讨论了掺杂Ca3Co4O9体系的态密度和共价键以及离子键的变化,以及这些变化与Ca3Co4O9热电性能变化之间的关系,并预测了不同掺杂元素对Ca3Co4O9体系的热电性能的影响。 本文的研究结果表明,CoO2层中的Co-O共价键及离子键比Ca2CoO3层中的强的多,Ca3Co4O9体系在费米能级附近的价带和导带主要由Ca2CoO3层中的O2p和Co3d原子轨道贡献,其热电性能主要由Ca2CoO3层的Co和O原子之间的相互作用决定,与CoO2层并没有直接联系。过渡金属元素掺杂时,传导机理与未掺杂Ca3Co4O9体系的相同。La掺杂时,Ca3Co4O9体系在费米能级附近的价带和导带主要由Ca2CoO3层中的Co3d和O2p以及CoO2层中的Co3d原子轨道贡献,这与未掺杂Ca3Co4O9体系的热电性能的传导机理存在一定的差异。 本文选用了五种过渡金属元素(Ti、Cr、Mn、Fe和Cu)以及La作为掺杂剂,分别研究了这些不同元素掺杂的Ca3Co4O9体系的态密度、共价键及离子键强度与热电性能之间的变化关系,结果显示Ti、Cr、Mn和Fe掺杂Ca3Co4O9体系的热电性能的改善并不明显,Cu掺杂Ca3Co4O9体系的热电性能的改善非常明显,这一研究结果表明,掺杂对提高Ca3Co4O9体系的热电性能的研究方向是可行的。 La掺杂Ca3Co4O9体系,随着La掺杂量的增加,Ca3Co4O9体系的热电性能呈现先变差后变好的过程,[LaxCa12-xCo14O42](x=1,2,…,6),x=3时,Ca3Co4O9体系的热电性能变差到一个极小值,随着La掺杂量的继续增加,Ca3Co4O9体系的热电性能逐步变好,x=5时,变好到一个极大值,随着La掺杂量的继续增加,Ca3Co4O9体系的热电性能的开始变差。这表明,La掺杂对提高Ca3Co4O9体系的热电性能有利,但是La掺杂的量并不是越多越好,而是存在一个合适的掺杂量,在本掺杂模型中,x=5时,Ca3Co4O9体系的热电性能达到最佳。


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