InBr、AgBr 和SnX(X=S, Se,Te) 熱電性質(zhì)的第一性原理研究.pdf

1、能源危機(jī)是當(dāng)今社會(huì)的重要矛盾，環(huán)境污染給人類帶來了巨大的威脅。人們對(duì)于新能源的研究成為一個(gè)熱門的科研課題。熱電材料作為一種新能源材料，可以實(shí)現(xiàn)熱能和電能的直接轉(zhuǎn)化。具有無噪音、無磨損、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。本論文基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算方法及半經(jīng)典玻爾茲曼理論研究了InBr、AgBr以及TlI構(gòu)型SnX(X=S, Se, Te)熱電材料的電子結(jié)構(gòu)和熱電性質(zhì)。
　　本論文中，我們采用VASP軟件包對(duì)三種物質(zhì)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，尋找能量最

2、低結(jié)構(gòu)。WIEN2k軟件包基于全電勢(shì)線性綴加平面波(FP-LAPW)方法計(jì)算物質(zhì)的電子結(jié)構(gòu)。BoltzTraP軟件包采用半經(jīng)典玻爾茲曼理論，用于計(jì)算材料的輸運(yùn)性質(zhì)。
　　InBr的晶格結(jié)構(gòu)類似于高溫相硒化錫。但是其有一個(gè)In-In鍵沿著c軸連接在兩個(gè)I nBr層狀結(jié)構(gòu)之間。這意味著 InBr在 c方向可能有較高的熱電性質(zhì)。我們計(jì)算了 InBr的電子結(jié)構(gòu)和輸運(yùn)性質(zhì)，并通過計(jì)算形變勢(shì)來確定 InBr的電子弛豫時(shí)間。零壓下 InBr具有

3、較大的帶隙，我們通過加壓調(diào)控InBr的電子結(jié)構(gòu)。經(jīng)過計(jì)算我們發(fā)現(xiàn)p型和n型的InBr的熱電性質(zhì)分別在7GPa和2GPa下達(dá)到最優(yōu)。在700K下ZT值分別達(dá)到1.6和2.1。由此我們推測(cè)InBr是一種很有希望的熱電材料。
　　AgBr是一種常用的化學(xué)物質(zhì)，但是作為熱電材料，卻鮮有人涉及。僅僅在二十世紀(jì)五十年代曾有人對(duì)AgBr的摻雜做過實(shí)驗(yàn)的研究。我們對(duì)AgBr進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)其可能具有較好的熱電性質(zhì)。經(jīng)過計(jì)算我們發(fā)現(xiàn)AgBr的ZT值最

4、高可達(dá)1.02，在計(jì)算中我們使用費(fèi)米積分考慮載流子濃度導(dǎo)致的費(fèi)米能級(jí)變化，更精確的計(jì)算弛豫時(shí)間。此外，我們使用Dagdale的觀點(diǎn)，以此擬合材料的熱導(dǎo)率，而非使用最小晶格熱導(dǎo)率代替熱導(dǎo)率做估算。
　　SnSe是具有高熱電性能的熱電材料。高溫相SnSe大約800K時(shí)發(fā)生相變而來。趙立東等人的研究發(fā)現(xiàn)，高溫相的SnSe具有更高的熱電性能，其ZT高達(dá)2.6。高溫相Sn Se具有TlI型結(jié)構(gòu)，我們以同族S和Te代替Se的位置，來研究SnX

5、(X=S, Se, Te)的熱電性質(zhì)。研究結(jié)果顯示，三者具有相似的電子結(jié)構(gòu)，帶隙從SnS到SnTe依次減小，這使得SnTe具有較高的電導(dǎo)率。此外，由于Te原子較重，SnTe具有比SnSe更小的晶格熱導(dǎo)率。結(jié)果顯示SnTe具有比SnSe更大的功率因子和更低熱最小晶格熱導(dǎo)率，因?yàn)榭赡芫哂懈玫臒犭娦再|(zhì)，是一種有前景的熱電材料。TlI型的SnTe在實(shí)驗(yàn)上仍未合成。我們計(jì)算結(jié)果顯示其形成能為負(fù)，且彈性穩(wěn)定，這說明此種材料是有希望被合成和應(yīng)用的。