Sr5Al2Sb6以及CuInX2(X=S,Se,Te)的熱電性質(zhì)的理論研究.pdf

1、隨著全球工業(yè)化的發(fā)展，人類對能源的需求不斷增長，能源短缺成為限制人類社會發(fā)展的關(guān)鍵問題之一。開發(fā)新型環(huán)保能源材料已受到世界各國的重視。熱電材料是一種新型的清潔能源材料，具有無污染、無噪音、無磨損、體積小、反應(yīng)快、易于維護、安全可靠等優(yōu)點，可以在不污染環(huán)境的前提下實現(xiàn)電能和熱能之間的直接相互轉(zhuǎn)換。熱電材料的廣泛應(yīng)用有利于緩解能源危機，以及保護環(huán)境。然而，目前所發(fā)現(xiàn)的熱電材料具有較低的能量轉(zhuǎn)換效率及其較高的生產(chǎn)成本，限制著其在實際生產(chǎn)和生活

2、中的廣泛應(yīng)用。因此，尋找具有較高轉(zhuǎn)換效率的熱電材料以及探索提高已知熱電材料轉(zhuǎn)換效率的方法具有重要的理論意義和現(xiàn)實價值。
　　本文基于第一性原理方法對Sr5Al2Sb6以及CuInX2(X=S, Se, Te)的熱電性質(zhì)進行了理論研究。
　　Zintl相化合物Sr5Al2Sb6和高效熱電材料Ca5Al2Sb6具有相似而又不同的晶體結(jié)構(gòu)。由于材料的晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)決定了其物理性質(zhì)，因此我們推測Sr5Al2Sb6可能具有較好的熱

3、電性質(zhì)。為了驗證我們的猜測，我們采用第一性原理方法以及半經(jīng)典的玻爾茲曼理論計算了Sr5Al2Sb6的電子結(jié)構(gòu)以及輸運性質(zhì)，并與Ca5Al2Sb6的相關(guān)性質(zhì)進行了比較。計算結(jié)果表明，Ca5Al2Sb6的帶隙之所以會比Sr5Al2Sb6的小，主要是由于Ca5Al2Sb6中較強的Sb-Sb共價相互作用在其導(dǎo)帶底附近產(chǎn)生了電子態(tài)。另外，若對Sr5Al2Sb6進行適當(dāng)?shù)膿诫s，其熱電性質(zhì)將會得到顯著提高。p型Sr5Al2Sb6在溫度為850K時，當(dāng)

4、其摻雜濃度達到1.26×1021cm-3，其ZT值最大可達1.01，因此，Sr5Al2Sb6具有良好的熱電應(yīng)用前景。
　　實驗工作表明，CuInTe2是比較好的熱電材料，在沒有摻雜的狀態(tài)下，純的CuInTe2的ZT值在溫度為850 K時可以達到1.18，這是目前為止發(fā)現(xiàn)的未摻雜狀態(tài)下具有類金剛石結(jié)構(gòu)的熱電材料中ZT值最大的材料。由于CuInS2、CuInSe2與CuInTe2具有相似的電子結(jié)構(gòu)和相同的空間群，因此我們猜測，它們?nèi)?/p>

5、也具有相似的性質(zhì)，也就是說CuInX2(X= S, Se, Te)都可能具有較好的熱電性質(zhì)。本論文中，我們選用不同的勢函數(shù)計算了幾種銅基化合物能帶帶隙的大小，并與實驗測量值進行了比較。比較結(jié)果表明，采用mBJ+ U的方法可以準(zhǔn)確地計算銅基化合物的電子結(jié)構(gòu)，因此在本文中，我們采用mBJ+ U的計算方法來計算所研究的幾種銅基化合物材料的電子結(jié)構(gòu)。另外，通過對計算的CuInX2(X= S, Se, Te)的電子結(jié)構(gòu)和熱電性質(zhì)的分析發(fā)現(xiàn)，之所以

6、CuInX2(X= S, Se, Te)具有比較好的熱電性質(zhì)，是因為在它們的價帶頂附近同時出現(xiàn)了輕重帶。基于這一發(fā)現(xiàn)，我們又計算了CuGaTe2和AgGaTe2的電子結(jié)構(gòu)和輸運性質(zhì)，并與CuInTe2的進行了比較，對比得出CuInX2(X= S, Se, Te)價帶頂附近同時出現(xiàn)的輕重帶主要原因是Cu的d電子和X的p電子之間的較強的雜化作用引起的。這對于熱電材料的實驗和理論研究工作都具有非常重要的研究意義，有助于發(fā)現(xiàn)提高熱電材料性能的調(diào)