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Bi_2Te_3系、Ca_3Co_2O_6系热电材料的电子结构计算与热电陶瓷制备

安继明  
【摘要】:本文重点利用一种线性展开平面波(Linearized Augmented Planewave)方法和量子化学离散变分密度泛函(DFT-DVM)方法计算了二类重要热电材料:Bi_2Te_3基热电合金和Ca_3Co_2O_6基热电氧化物。 Bi_2Te_3基热电材料是目前最好的室温范围热电材料。本文对Bi_2Te_3和掺Sn的Bi_2Te_3的电子结构进行了LAPW和量子化学方法计算。结果表明,Bi_2Te_3和SnBi_2Te_4都是窄带半导体,自旋—轨道耦合效应对费米能级附近的能带影响很大,从能带结构上看,它们的能带有二重简并的和六重简并的。对于Bi_2Te_3的导带,Bi 6p态贡献大些;而对于价带,Te(Ⅰ)5 p态贡献大些。对SnBi_2Te_4的能带结构,掺入的Sn主要影响的是导带。Bi_2Te_3和SnBi_2Te_4二者相比,由于Sn原子的掺入从而使得带隙变小,有效质量变小;掺入Sn原子只与Te(Ⅱ)相连,Sn-Te(Ⅱ)共价键级也大于Bi-Te(Ⅱ)而小于Bi-Te(Ⅰ)。计算结果较好地解释了实验现象。 Ca_3Co_2O_6基氧化物是一个层状化合物,符合“电子晶体,声子玻璃”这个理论思想,是一个有研究价值的热电材料。本文对Ca_3Co_2O_6和掺Ni的Ca_3Co_2O_6的电子结构进行了LAPW和量子化学方法计算。结果表明,Ca_3Co_2O_6和Ca_3CoNiO_6都是窄带半导体,自旋—轨道耦合效应在确定带隙时起了主要作用。它们的能带结构是多重简并的,其输运特性也是各向异性的。Ni的掺入改变了能带结构,金属性变强;掺入Ni后,Ni-O共价键明显地比Ca_(18)Co_(12)O_(36)中的对应的Co-O共价键弱。 基于理论计算的结果,我们用Sol-Gel方法合成了Ca_3Co_2O_6和掺Ni的化合物并用SPS烧结方法制备成样品。实验结果表明,Ca_3Co_2O_6的热电性能的理论计算规律和实验结果符合较好。但掺Ni后,理论预计和实验出入很大,该现象有待进一步研究。


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