失配層鈷酸鹽及摻雜系列的電子結(jié)構(gòu)與熱電性能.pdf

1、Ca3Co4O9及其摻雜系列是目前中高溫領(lǐng)域最具應(yīng)用前景的熱電材料之一，為了優(yōu)化熱電轉(zhuǎn)化效率，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)Ca3Co4O9進(jìn)行了摻雜改性研究，對(duì)其熱電轉(zhuǎn)化效率有著不同程度的提高，之前的研究和文獻(xiàn)主要集中在實(shí)驗(yàn)方面，但實(shí)驗(yàn)周期跨度較長(zhǎng)，耗費(fèi)的資源也多，理論計(jì)算研究正好可以彌補(bǔ)這些不足。
　　本文以Ca3Co4O9作為研究對(duì)象，用離散變分密度泛函方法(DFT-DVM)進(jìn)行了計(jì)算，討論了態(tài)密度，共價(jià)鍵以及離子鍵與Ca3Co4O9的熱

2、電性能之間的關(guān)系，解釋了Ca3Co4O9具有良好熱電性能的原因。計(jì)算并討論了摻雜Ca3Co4O9體系的態(tài)密度和共價(jià)鍵以及離子鍵的變化，以及這些變化與Ca3Co4O9熱電性能變化之間的關(guān)系，并預(yù)測(cè)了不同摻雜元素對(duì)Ca3Co4O9體系的熱電性能的影響。
　　本文的研究結(jié)果表明，CoO2層中的Co-O共價(jià)鍵及離子鍵比Ca2CoO3層中的強(qiáng)的多，Ca3Co4O9體系在費(fèi)米能級(jí)附近的價(jià)帶和導(dǎo)帶主要由Ca2CoO3層中的O2p和Co3d原子軌

3、道貢獻(xiàn)，其熱電性能主要由Ca2CoO3層的Co和O原子之間的相互作用決定，與CoO2層并沒(méi)有直接聯(lián)系。過(guò)渡金屬元素?fù)诫s時(shí)，傳導(dǎo)機(jī)理與未摻雜Ca3Co4O9體系的相同。La摻雜時(shí)，Ca3Co4O9體系在費(fèi)米能級(jí)附近的價(jià)帶和導(dǎo)帶主要由Ca2CoO3層中的Co3d和O2p以及CoO2層中的Co3d原子軌道貢獻(xiàn)，這與未摻雜Ca3Co4O9體系的熱電性能的傳導(dǎo)機(jī)理存在一定的差異。
　　本文選用了五種過(guò)渡金屬元素(Ti、Cr、Mn、Fe和Cu

4、)以及La作為摻雜劑，分別研究了這些不同元素?fù)诫s的Ca3Co4O9體系的態(tài)密度、共價(jià)鍵及離子鍵強(qiáng)度與熱電性能之間的變化關(guān)系，結(jié)果顯示Ti、Cr、Mn和Fe摻雜Ca3Co4O9體系的熱電性能的改善并不明顯，Cu摻雜Ca3Co4O9體系的熱電性能的改善非常明顯，這一研究結(jié)果表明，摻雜對(duì)提高Ca3Co4O9體系的熱電性能的研究方向是可行的。
　　La摻雜Ca3Co4O9體系，隨著La摻雜量的增加，Ca3Co4O9體系的熱電性能呈現(xiàn)先變差

5、后變好的過(guò)程，[LaxCa12-xCo14O42](x=1,2,…,6)，x=3時(shí)，Ca3Co4O9體系的熱電性能變差到一個(gè)極小值，隨著La摻雜量的繼續(xù)增加，Ca3Co4O9體系的熱電性能逐步變好，x=5時(shí)，變好到一個(gè)極大值，隨著La摻雜量的繼續(xù)增加，Ca3Co4O9體系的熱電性能的開(kāi)始變差。這表明，La摻雜對(duì)提高Ca3Co4O9體系的熱電性能有利，但是La摻雜的量并不是越多越好，而是存在一個(gè)合適的摻雜量，在本摻雜模型中，x=5時(shí)，Ca