新型二元和三元熱電材料的第一性原理研究.pdf

1、當今，環(huán)境問題的凸顯促使人們開發(fā)綠色能源以及新能源技術(shù)。熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)因其可以實現(xiàn)熱能與電能的直接相互轉(zhuǎn)換，進而大大提高對能源利用的效率以及減小對環(huán)境的污染。然而，熱電轉(zhuǎn)換效率一直以來主要受制于材料本身的熱電優(yōu)值。為了實現(xiàn)熱電優(yōu)值的新突破，人們一方面發(fā)展了電子能帶工程以提高功率因子；另一方面將塊體材料發(fā)展到低維納米結(jié)構(gòu)以求突破晶格熱導率的極限；此外，人們還致力于尋找高優(yōu)值的新型塊體熱電材料。
　　理論計算和預言有助于發(fā)現(xiàn)和理解不同熱

2、電體系中的電子和聲子輸運行為，對實驗具有良好的指導意義。本文采用第一性原理結(jié)合玻爾茲曼輸運方程的方法，對熱電領(lǐng)域中的一些前沿問題進行了研究，預言了一些二元和三元體系中潛在的熱電輸運性能，有助于進一步理解熱電機理并為實驗提供理論參考。
　　首先，我們詳細研究了電子能帶工程對提高熱電輸運性能的積極作用。基于PbTe，與之前對價帶施加能帶工程以優(yōu)化其p型熱電性能不同，我們采用元素替換Pb位置的方式，成功調(diào)控了其費米面附近導帶的簡并，使n

3、型功率因子得到大幅度提升。我們的結(jié)果表明，對Pb位置進行輕摻雜可以有效調(diào)控PbTe基的導帶簡并以提高其n型熱電性能?；谝恍訝罨衔镉捎诰w場的劈裂而在價帶邊緣出現(xiàn)pz軌道與px,y軌道分離的現(xiàn)象，以過渡金屬硫化物ZrS2為例，通過施加雙軸應(yīng)力，成功實現(xiàn)了其價帶邊緣兩個分離軌道的簡并，最終使p型熱電優(yōu)值增大近兩倍，表明通過軌道簡并設(shè)計高性能層狀熱電材料的可行性。
　　其次，預言了單層1T-CdI2型過渡金屬硫族化合物ZrSe2和

4、HfSe2中潛在的熱電輸運性能。低維納米結(jié)構(gòu)中因聲子被散射的幾率提高，可獲得晶格熱導率的降低和熱電優(yōu)值的提高。最近，二維體系中的熱電輸運成為了大家關(guān)注的焦點，單層過渡金屬硫族化合物是其中的一個典型。我們的計算結(jié)果表明，與之前的2H-MoS2型單層結(jié)構(gòu)相比，1T-CdI2型的單層ZrSe2和HfSe2具有極低的晶格熱導率和較高的熱電優(yōu)值，室溫下的晶格熱導率分別為1.2W/mK和1.8W/mK，其最佳熱電優(yōu)值在中溫區(qū)域接近1，其極低的晶格熱

5、導率主要歸因于其較低的聲子群速和較高的非諧聲子散射率。我們的結(jié)果預示了1T-CdI2型單層過渡金屬硫族化合物是潛在的二維熱電材料。
　　此外，我們研究了MPtBi(M=Sc,Y,La)和TlBiSe2兩種拓撲絕緣體的電子和聲子輸運性質(zhì)。熱電材料與拓撲絕緣體之間的緊密聯(lián)系使得有希望從一些新型拓撲絕緣體中發(fā)現(xiàn)較好的熱電性能。計算表明，當half-Heusler結(jié)構(gòu)拓撲絕緣體LaPtBi打開的帶隙接近Bi2Te3時，其n型電子輸運性能十

6、分接近p型的Bi2Te3；與傳統(tǒng)的half-Heusler合金相比，LaPtBi具有極低的晶格熱導率，室溫下為2.9W/mK。而作為Bi2Se3家族的衍生物，TlBiSe2拓撲絕緣體的電子和聲子輸運性能完全可以和Bi2Te3相比，其橫向的功率因子與Bi2Te3相當，而徑向的功率因子明顯高于Bi2Te3，室溫下橫向與徑向的晶格熱導率分別為0.84W/mK和0.87W/mK，極小的聲子各向異性使得TlBiSe2更加適用于熱電領(lǐng)域。此外，對比