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热电材料是一种具有良好热电效应的功能材料,可以进行热能和电能的直接转换。热电材料的应用不需要使用传动部件,结构简单,性能可靠,工作时无噪音、无排弃物,对环境没有污染,因此引起人们极大的关注。
Bi-Te基材料是目前室温范围性能最好的热电材料。目前,对这种材料的研究集中于赝二元合金和三维体材料的合成和测试方面,但在材料的能带结构和态密度等微观电子结构方面的研究还有待提高。本文运用基于第一性原理的量子化学计算方法对Bi-Te基热电材料的二元合金、赝二元合金、Te原子掺杂及二维结构进行电子结构的计算,并用波尔兹曼输运方程对Bi2Te3的电导率、Seebeck系数进行了推导。
计算结果表明:Bi2Te3二元合金是一种典型的直接能隙半导体,导带主要由Bi原子的6s电子组成;而价带主要由Te(1)原子的5p电子组成。Bi-Te基热电材料在形成赝二元合金时,晶体的禁带宽度随着化学配比的改变出现规律性的变化。采用磁控溅射的方法制备了Bi-Te薄膜,考察了不同组分碲化铋薄膜的Seebeck系数,发现薄膜在Te含量约为70mol﹪处发生PN极性转变。
考察掺杂对Bi-Te合金能带的影响发现:随着Se的增加,Bi-Te-Se的禁带宽度先增大后减小,最大值出现在Se完全取代Te(2)原子时,这时的化学配比值与实验得到的最大禁带宽度时的配比一致。Bi-Te-Sb禁带宽度则呈下降趋势,与实验结果相符。当以重金属Te原子掺杂时,晶体的能带结构出现了向金属化方向的变化,载流子有效质量增大。对二维化Bi-Te晶体的研究结果表明其禁带宽度增大,简并度增加,费米能级附近的态密度增加。