熱電材料晶體結構與微觀缺陷相關的特異傳輸性質(zhì).pdf

1、熱電材料是一種能夠實現(xiàn)熱能和電能直接相互轉換的功能材料,在溫差發(fā)電和熱電制冷等領域具有重要的應用價值和廣泛的應用前景。隨著熱電材料研究的逐步深入,材料的晶體結構越來越復雜,摻雜的成分越來越多,給實際研究工作帶來較大的困難。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)、電學特性等,都與固體的電子結構密切相關。因此對某些復雜體系,通過探索其電子結構,利用固體能帶理論來研究熱電傳輸問題,可以深入理解材料的熱電行為,找

2、出晶體結構與熱電傳輸性質(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算方法對幾種具有特殊晶體結構的熱電材料(ReSi1.75,β-Zn4Sb3和RhaScSi7)的晶格缺陷和電子結構(如態(tài)密度、能帶結構、成鍵性質(zhì)、有效質(zhì)量等)進行了研究,并研究了摻雜工藝對這幾種材料晶體結構和電子結構的影響。利用半經(jīng)典的玻耳茲曼傳輸理論,在能帶結構的基礎上對這幾種熱電材料的傳輸性能進行了解析,并結合實驗數(shù)據(jù)和計算結果進行比較和分析

3、,解釋了材料特殊傳輸性能的因為,預測了進一步提高材料熱電性能的手段。
　　 研究結果表明,ReSi1.75為窄能隙半導體。能帶中價帶頂是一條平坦的能帶,而導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的費米能級向價帶移動。沿[100]方向p型摻雜的ReSi1.75和沿[001]方向n型摻雜的ReSi1.75會有更好的熱電性能。
　　 β-Z114Sba為窄能隙p型半導體,其電子結構對晶體結構并不敏感。β-Zn4Sb3中某些Zn-Zn鍵鍵長很短,這在能量上不穩(wěn)定。馳豫后,Zn-Zn鍵鍵長顯著增大,而Zn-Sb鍵鍵長卻增大不多。這是由于β-Zn4Sb3中Zn-Zn鍵為較弱的共價鍵,而Zn-Sb鍵為較強的共價鍵。摻雜對β-Zn

5、4Sb3的Seebeck系數(shù)和電導率影響趨勢相反,直接通過元素摻雜對于提高β-Zn4Sb3熱電材料的電性能優(yōu)勢并不明顯。
　　 Rh3ScSi7是一種半金屬材料,最高的價帶穿過費米能級進入到導帶中,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,最高達將近50％。Rh3ScSi7和Rh3Sc(S