Sr5Al2Sb6和CuInX2(X=S,Se,Te)的热电性质的理论研究

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随着全球工业化的发展,人类对能源的需求不断增长,能源短缺成为限制人类社会发展的关键问题之一。开发新型环保能源材料已受到世界各国的重视。热电材料是一种新型的清洁能源材料,具有无污染、无噪音、无磨损、体积小、反应快、易于维护、安全可靠等优点,可以在不污染环境的前提下实现电能和热能之间的直接相互转换。热电材料的广泛应用有利于缓解能源危机,以及保护环境。然而,目前所发现的热电材料具有较低的能量转换效率及其较高的生产成本,限制着其在实际生产和生活中的广泛应用。因此,寻找具有较高转换效率的热电材料以及探索提高已知热电材料转换效率的方法具有重要的理论意义和现实价值。本文基于第一性原理方法对Sr5Al2Sb6以及CuInX2(X=S,Se,Te)的热电性质进行了理论研究。Zintl相化合物Sr5Al2Sb6和高效热电材料Ca5Al2Sb6具有相似而又不同的晶体结构。由于材料的晶体结构和电子结构决定了其物理性质,因此我们推测Sr5Al2Sb6可能具有较好的热电性质。为了验证我们的猜测,我们采用第一性原理方法以及半经典的玻尔兹曼理论计算了Sr5Al2Sb6的电子结构以及输运性质,并与Ca5Al2Sb6的相关性质进行了比较。计算结果表明,Ca5Al2Sb6的带隙之所以会比Sr5Al2Sb6的小,主要是由于Ca5Al2Sb6中较强的Sb-Sb共价相互作用在其导带底附近产生了电子态。另外,若对Sr5Al2Sb6进行适当的掺杂,其热电性质将会得到显著提高。p型Sr5Al2Sb6在温度为850K时,当其掺杂浓度达到1.26×1021cm-3,其ZT值最大可达1.01,因此,Sr5Al2Sb6具有良好的热电应用前景。实验工作表明,CuInTe2是比较好的热电材料,在没有掺杂的状态下,纯的CuInTe2的ZT值在温度为850 K时可以达到1.18,这是目前为止发现的未掺杂状态下具有类金刚石结构的热电材料中ZT值最大的材料。由于CuInS2、CuInSe2与CuInTe2具有相似的电子结构和相同的空间群,因此我们猜测,它们三者也具有相似的性质,也就是说CuInX2(X=S,Se,Te)都可能具有较好的热电性质。本论文中,我们选用不同的势函数计算了几种铜基化合物能带带隙的大小,并与实验测量值进行了比较。比较结果表明,采用mBJ+U的方法可以准确地计算铜基化合物的电子结构,因此在本文中,我们采用mBJ+U的计算方法来计算所研究的几种铜基化合物材料的电子结构。另外,通过对计算的CuInX2(X=S,Se,Te)的电子结构和热电性质的分析发现,之所以CuInX2(X=S,Se,Te)具有比较好的热电性质,是因为在它们的价带顶附近同时出现了轻重带。基于这一发现,我们又计算了CuGaTe2和AgGaTe2的电子结构和输运性质,并与CuInTe2的进行了比较,对比得出CuInX2(X=S,Se,Te)价带顶附近同时出现的轻重带主要原因是Cu的d电子和X的p电子之间的较强的杂化作用引起的。这对于热电材料的实验和理论研究工作都具有非常重要的研究意义,有助于发现提高热电材料性能的调控方案。
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