CuGaTe2半導(dǎo)體電子結(jié)構(gòu)和熱電性能的第一性原理研究.pdf

1、能源危機(jī)逐漸突出，環(huán)境污染日益嚴(yán)重，如何合理地解決能源短缺和環(huán)境污染，這是目前全世界都關(guān)注的問題。人們期望尋求新的能源材料能夠?qū)h(huán)境中的廢熱、工業(yè)余熱、汽車尾氣等能量充分地利用起來。因?yàn)檫@樣不僅能夠有效地緩解環(huán)境污染，而且能夠解決能源短缺問題。熱電材料是最近幾年發(fā)展起來的一種新型能源材料，它基于熱電效應(yīng)能夠?qū)⒌推焚|(zhì)的熱能轉(zhuǎn)換成電能。但是當(dāng)前的熱電材料由于轉(zhuǎn)換效率偏低而沒得到廣泛的應(yīng)用。尋求高轉(zhuǎn)換效率的熱電材料和探索優(yōu)化熱電材料性能的途徑

2、是人們目前和將來研究的重點(diǎn)。
　　本文基于密度泛函理論和玻爾茲曼理論，研究了黃銅礦半導(dǎo)體CuGaTe2在摻雜和應(yīng)變作用下的電子結(jié)構(gòu)和熱電性質(zhì)。詳細(xì)的研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下：
　?。?）研究了黃銅礦半導(dǎo)體CuGaTe2和CuInTe2的電子結(jié)構(gòu)、彈性參數(shù)、熱學(xué)特性和熱電特性。發(fā)現(xiàn)MBJ-GGA比GGA交換關(guān)聯(lián)近似計(jì)算的能隙值更接近實(shí)驗(yàn)值?；贛BJ-GGA近似計(jì)算的能帶結(jié)構(gòu)，研究了體系熱電性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)可以通過優(yōu)化載流子的濃度改善體系

3、的熱電性。晶格熱導(dǎo)率計(jì)算結(jié)果表明在300-800K的溫度范圍內(nèi)，CuGaTe2和CuInTe2的晶格熱導(dǎo)率主要來源于聲子散射，其中聲子散射又是以Umklapp散射為主。
　?。?）研究了CuGa1-xInxTe2固溶體的電子結(jié)構(gòu)和熱電性質(zhì)。通過固溶體的形成能的計(jì)算發(fā)現(xiàn)在一定的溫度下能夠形成穩(wěn)定的CuGa1-xInxTe2固溶體。隨著In摻雜量x的增加，晶體的晶格常數(shù)幾乎成線性增加，而體系的能隙值卻是線性減小的。通過聲速的計(jì)算，發(fā)現(xiàn)

4、 In摻雜有助于減小體系的熱導(dǎo)率。根據(jù)功率因子比弛豫時(shí)間S2σ/τ和載流子濃度之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)最佳的載流子濃度范圍是2.0×1026 m-3-9.0×1026m-3。
　?。?）研究了Ag摻雜CuGaTe2的電子結(jié)構(gòu)和熱電性質(zhì)。電子結(jié)構(gòu)計(jì)算的結(jié)果表明， Ag摻雜后體系由直接能隙變成間接能隙的半導(dǎo)體。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)當(dāng)x=0.074時(shí)，價(jià)帶頂處的三條能帶會(huì)簡(jiǎn)并在一起，因此，我們預(yù)測(cè)Ag含量為0.074時(shí)摻雜體系的塞貝克系數(shù)最大。Ag摻雜讓

5、費(fèi)米能級(jí)下移到價(jià)帶內(nèi)，并且由于Ag的摻雜態(tài)和價(jià)帶頂之間的雜化，使得費(fèi)米能級(jí)處的態(tài)密度增加，有助于提高體系的塞貝克系數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)Ag的摻雜不僅有利于增加載流子濃度而且有利于減小體系的熱導(dǎo)率。
　?。?）研究了平面雙軸應(yīng)變對(duì)CuGaTe2體系電子結(jié)構(gòu)和熱電性質(zhì)的作用。能帶結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果顯示，在-0.5％壓縮應(yīng)變下價(jià)帶頂處的三條能帶簡(jiǎn)并在一起，增大了體系的塞貝克系數(shù)?；赟2σ/τ最大值的計(jì)算，得到了體系在不同應(yīng)變下的最優(yōu)載流子濃度。當(dāng)