黄铜矿型热电材料热电性能的应力应变调控

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工业废热不仅造成了环境污染,同时也浪费了大量热能,而热电材料可以直接把这些富余的热能转化成电能加以利用,且在使用过程中不会造成环境污染。因此,热电材料在废热利用方面具有广阔的应用前景,在应对能源短缺和环境问题方面存在巨大潜力。黄铜矿体系热电材料具有无毒无污染、储量大、分布广等优点,成为了目前热电材料研究的热点。通常,材料的对称度越高,热电性能越优异,但黄铜矿热电材料是四方相结构,对称性较低,这使得该体系的热电性能仍有非常大的提升空间。因此,本论文基于第一性原理和半经典玻尔兹曼理论,以黄铜矿热电材料体系为研究对象,计算分析了应力、应变对其对称度和能带的影响,进而调控优化其热电性能。论文的主要工作如下:(1)探究了外应力对黄铜矿热电材料性能的影响,提出了外应力对黄铜矿热电材料的调控优化方案。以黄铜矿体系热电材料MgSiP2为研究对象,计算其在外应力作用下的电子结构和热电性能,结果显示p型和n型MgSiP2的赛贝克系数随着外应力的增加均略有减小,电导率与弛豫时间之比均得到了提升,但p型MgSiP2的电导率增强幅度较n型更大,使p型MgSiP2的功率因子与弛豫时间比值优于n型。这表明外应力使得p型MgSiP2表现出较优的热电性能,外应力是提高p型MgSiP2热电性能的有效途径。(2)研究了单轴应变对黄铜矿热电材料电子结构和热电性能的影响,提出了单轴应变调控其热电性能的方案。以黄铜矿热电材料AgAlTe2为研究对象,通过单轴应变提升其晶体对称性,从而提升其能带简并度,促进赛贝克系数的提高。在拉应变为5%时,AgAlTe2的能带达到了简并,此时赛贝克系数最大;电导率与弛豫时间比值在拉应变作用下也有较大的提升,在拉应变为7%时增长率达到8.7%;功率因子与弛豫时间比值也在拉应变作用下有明显的增加,在拉应变为6%时达到最大值,增长率为27.2%。(3)探究了双轴应变对黄铜矿热电材料性能的影响,提出黄铜矿热电材料双轴应变调控方案。以黄铜矿材料AgAlTe2和AgGaTe2为研究对象,探究双轴应变对其电子结构和热电性能的影响,AgGaTe2在压应变为-2.32%时能带达到简并,AgAlTe2在压应变为-3.3%时能带达到了简并,两种情况下材料的赛贝克系数均达到最优,两种材料的电导率与弛豫时间的比值也均在压应变的作用下逐渐增加,因此功率因子与弛豫时间比值在双轴应变作用下也得到了较大的提高。
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