二维CSe热电性质的理论研究

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热电材料有将热能转换成电能的能力,其制成的设备可以有效利用汽车,工厂等排放的废热。这是缓解当前的能源危机,减少化石燃料造成的环境污染的途径之一,因而在再生绿色能源领域受到广泛关注。热电材料的热电转换能力和转换效率可以通过功率因子和热电优值(5来衡量。高热电转换效率取决于大的热电优值,即高的功率因子和低的热导率。因此,想要制作高转换效率的热电设备需要寻找具有高热电优值的新型热电材料或者利用能带工程和掺杂等方法提高已知材料的热电优值。目前,已经有大量层状IV-VI族化合物的研究,PdTe和SnSe块体因为大的非谐效应,具有良好的热电性能,其对应的二维材料可以通过剥离来制备,并且有更低的热导率,可以进一步改善热电性能,但是这些研究都集中在含量较为稀有的重元素区域,对地球含量丰富的元素还缺乏系统的研究。本文采用第一性原理计算和玻耳兹曼输运理论,研究了CSe单层的几何结构,电子输运参数,声子输运参数以及热电性能。CSe单层是一种间接带隙半导体,晶格常数为3.07(?),带隙为1.51e V。声子谱的计算和分子动力学模拟表明,CSe单层是动力学稳定和热力学稳定的。基于第一性原理计算得到的能带结构,采用形变势理论,可以得到电子和空穴的有效质量,弹性常数和形变势常数,从而得到载流子的弛豫时间以及迁移率。通过半经典玻尔兹曼理论,计算了不同温度下的塞贝克系数,电导率,功率因子,电子热导率等热电参数。n型和p型CSe单层的塞贝克系数的绝对值在低温区域都相对较小,当载流子浓度升高时,塞贝克系数的绝对值减小,但是当载流子浓度一定时,塞贝克系数的绝对值随着温度的升高而增加。功率因子的大小随着载流子浓度的升高先增大,到达一个峰值后,功率因子随着载流子浓度的升高呈现减小的趋势,在整个载流子浓度区间内,功率因子随着温度的升高而减小。当电子浓度约为1.17×1013 cm-2时,n型CSe单层在300至700 K温度区间内的最大功率因子为618到483 m W m-1 K-2;当空穴浓度约为1.24×1013cm-2时,p型CSe单层的最大功率因子为9.87到7.42 m W m-1 K-2。CSe单层的晶格热导率在选择的温度区间内为40.12到17.26 W m-1 K-1,其随着温度的升高而降低。还进一步探究了不同声学支对晶格热导率的贡献以及声子平均自由程对晶格热导率的影响,当声子的平均自由程在10至1000 nm范围内时,晶格热导率会发生明显的变化。在适当的载流子浓度下,n型CSe单层在选择的温度区间内的热电优值为0.55到0.78,p型CSe单层的热电优值为0.07到0.20。这些较高的热电性能表明,由地球上含量较为丰富的碳元素制成的CSe单层可能是一种很有潜力的n型二维热电材料。
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