熱電材料晶體結(jié)構(gòu)與微觀缺陷相關(guān)的特異傳輸性質(zhì).pdf

1、熱電材料是一種能夠?qū)崿F(xiàn)熱能和電能直接相互轉(zhuǎn)換的功能材料,在溫差發(fā)電和熱電制冷等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景。隨著熱電材料研究的逐步深入,材料的晶體結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜,摻雜的成分越來(lái)越多,給實(shí)際研究工作帶來(lái)較大的困難。固體能帶理論是凝聚態(tài)物理最成功的理論之一,固體的許多基本性質(zhì),如磁性質(zhì)、電學(xué)特性等,都與固體的電子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。因此對(duì)某些復(fù)雜體系,通過(guò)探索其電子結(jié)構(gòu),利用固體能帶理論來(lái)研究熱電傳輸問(wèn)題,可以深入理解材料的熱電行為,找

2、出晶體結(jié)構(gòu)與熱電傳輸性質(zhì)的演變規(guī)律。
　　 本論文采用基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算方法對(duì)幾種具有特殊晶體結(jié)構(gòu)的熱電材料(ReSi1.75,β-Zn4Sb3和RhaScSi7)的晶格缺陷和電子結(jié)構(gòu)(如態(tài)密度、能帶結(jié)構(gòu)、成鍵性質(zhì)、有效質(zhì)量等)進(jìn)行了研究,并研究了摻雜工藝對(duì)這幾種材料晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)的影響。利用半經(jīng)典的玻耳茲曼傳輸理論,在能帶結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上對(duì)這幾種熱電材料的傳輸性能進(jìn)行了解析,并結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較和分析

3、,解釋了材料特殊傳輸性能的因?yàn)?預(yù)測(cè)了進(jìn)一步提高材料熱電性能的手段。
　　 研究結(jié)果表明,ReSi1.75為窄能隙半導(dǎo)體。能帶中價(jià)帶頂是一條平坦的能帶,而導(dǎo)帶底為具有拋物線形狀的能帶。ReSi1.75中Re原子的d態(tài)電子與晶格中的硅空位缺陷之間形成懸掛鍵,使得ReSi1.5表現(xiàn)半導(dǎo)體性質(zhì)。ReSi1.75在[001]方向上空穴具有較大的有效質(zhì)量,而在[100]和[010]方向上電子具有較大的有效質(zhì)量。摻雜Al和Mo后ReSi1.

4、75的費(fèi)米能級(jí)向價(jià)帶移動(dòng)。沿[100]方向p型摻雜的ReSi1.75和沿[001]方向n型摻雜的ReSi1.75會(huì)有更好的熱電性能。
　　 β-Z114Sba為窄能隙p型半導(dǎo)體,其電子結(jié)構(gòu)對(duì)晶體結(jié)構(gòu)并不敏感。β-Zn4Sb3中某些Zn-Zn鍵鍵長(zhǎng)很短,這在能量上不穩(wěn)定。馳豫后,Zn-Zn鍵鍵長(zhǎng)顯著增大,而Zn-Sb鍵鍵長(zhǎng)卻增大不多。這是由于β-Zn4Sb3中Zn-Zn鍵為較弱的共價(jià)鍵,而Zn-Sb鍵為較強(qiáng)的共價(jià)鍵。摻雜對(duì)β-Zn

5、4Sb3的Seebeck系數(shù)和電導(dǎo)率影響趨勢(shì)相反,直接通過(guò)元素?fù)诫s對(duì)于提高β-Zn4Sb3熱電材料的電性能優(yōu)勢(shì)并不明顯。
　　 Rh3ScSi7是一種半金屬材料,最高的價(jià)帶穿過(guò)費(fèi)米能級(jí)進(jìn)入到導(dǎo)帶中,使得Rh3ScSi7以空穴載流子傳輸為主。Rh3ScSi7是一種具有傳輸各向異性的熱電材料。摻雜Al使得Rh3Sc(Si0.98Al0.02)7在(0001)晶面上的功率因子明顯提高,最高達(dá)將近50％。Rh3ScSi7和Rh3Sc(S