Sr5Al2Sb6以及CuInX2(X=S,Se,Te)的熱電性質(zhì)的理論研究.pdf

1、隨著全球工業(yè)化的發(fā)展，人類對(duì)能源的需求不斷增長，能源短缺成為限制人類社會(huì)發(fā)展的關(guān)鍵問題之一。開發(fā)新型環(huán)保能源材料已受到世界各國的重視。熱電材料是一種新型的清潔能源材料，具有無污染、無噪音、無磨損、體積小、反應(yīng)快、易于維護(hù)、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，可以在不污染環(huán)境的前提下實(shí)現(xiàn)電能和熱能之間的直接相互轉(zhuǎn)換。熱電材料的廣泛應(yīng)用有利于緩解能源危機(jī)，以及保護(hù)環(huán)境。然而，目前所發(fā)現(xiàn)的熱電材料具有較低的能量轉(zhuǎn)換效率及其較高的生產(chǎn)成本，限制著其在實(shí)際生產(chǎn)和生活

2、中的廣泛應(yīng)用。因此，尋找具有較高轉(zhuǎn)換效率的熱電材料以及探索提高已知熱電材料轉(zhuǎn)換效率的方法具有重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)價(jià)值。
　　本文基于第一性原理方法對(duì)Sr5Al2Sb6以及CuInX2(X=S, Se, Te)的熱電性質(zhì)進(jìn)行了理論研究。
　　Zintl相化合物Sr5Al2Sb6和高效熱電材料Ca5Al2Sb6具有相似而又不同的晶體結(jié)構(gòu)。由于材料的晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)決定了其物理性質(zhì)，因此我們推測(cè)Sr5Al2Sb6可能具有較好的熱

3、電性質(zhì)。為了驗(yàn)證我們的猜測(cè)，我們采用第一性原理方法以及半經(jīng)典的玻爾茲曼理論計(jì)算了Sr5Al2Sb6的電子結(jié)構(gòu)以及輸運(yùn)性質(zhì)，并與Ca5Al2Sb6的相關(guān)性質(zhì)進(jìn)行了比較。計(jì)算結(jié)果表明，Ca5Al2Sb6的帶隙之所以會(huì)比Sr5Al2Sb6的小，主要是由于Ca5Al2Sb6中較強(qiáng)的Sb-Sb共價(jià)相互作用在其導(dǎo)帶底附近產(chǎn)生了電子態(tài)。另外，若對(duì)Sr5Al2Sb6進(jìn)行適當(dāng)?shù)膿诫s，其熱電性質(zhì)將會(huì)得到顯著提高。p型Sr5Al2Sb6在溫度為850K時(shí)，當(dāng)

4、其摻雜濃度達(dá)到1.26×1021cm-3，其ZT值最大可達(dá)1.01，因此，Sr5Al2Sb6具有良好的熱電應(yīng)用前景。
　　實(shí)驗(yàn)工作表明，CuInTe2是比較好的熱電材料，在沒有摻雜的狀態(tài)下，純的CuInTe2的ZT值在溫度為850 K時(shí)可以達(dá)到1.18，這是目前為止發(fā)現(xiàn)的未摻雜狀態(tài)下具有類金剛石結(jié)構(gòu)的熱電材料中ZT值最大的材料。由于CuInS2、CuInSe2與CuInTe2具有相似的電子結(jié)構(gòu)和相同的空間群，因此我們猜測(cè)，它們?nèi)?/p>

5、也具有相似的性質(zhì)，也就是說CuInX2(X= S, Se, Te)都可能具有較好的熱電性質(zhì)。本論文中，我們選用不同的勢(shì)函數(shù)計(jì)算了幾種銅基化合物能帶帶隙的大小，并與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值進(jìn)行了比較。比較結(jié)果表明，采用mBJ+ U的方法可以準(zhǔn)確地計(jì)算銅基化合物的電子結(jié)構(gòu)，因此在本文中，我們采用mBJ+ U的計(jì)算方法來計(jì)算所研究的幾種銅基化合物材料的電子結(jié)構(gòu)。另外，通過對(duì)計(jì)算的CuInX2(X= S, Se, Te)的電子結(jié)構(gòu)和熱電性質(zhì)的分析發(fā)現(xiàn)，之所以

6、CuInX2(X= S, Se, Te)具有比較好的熱電性質(zhì)，是因?yàn)樵谒鼈兊膬r(jià)帶頂附近同時(shí)出現(xiàn)了輕重帶?；谶@一發(fā)現(xiàn)，我們又計(jì)算了CuGaTe2和AgGaTe2的電子結(jié)構(gòu)和輸運(yùn)性質(zhì)，并與CuInTe2的進(jìn)行了比較，對(duì)比得出CuInX2(X= S, Se, Te)價(jià)帶頂附近同時(shí)出現(xiàn)的輕重帶主要原因是Cu的d電子和X的p電子之間的較強(qiáng)的雜化作用引起的。這對(duì)于熱電材料的實(shí)驗(yàn)和理論研究工作都具有非常重要的研究意義，有助于發(fā)現(xiàn)提高熱電材料性能的調(diào)