幾種材料的電子結(jié)構(gòu)和熱電特性的理論研究.pdf

1、能源是人類社會(huì)賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)。世界經(jīng)濟(jì)和人類社會(huì)的發(fā)展都離不開能源的開發(fā)和利用。能源的生產(chǎn)及利用對(duì)所有國家的經(jīng)濟(jì)及環(huán)境非常重要，就目前來看，煤炭、石油、天然氣等化石能源仍是能源的主要來源?；剂显谌紵龝r(shí)會(huì)產(chǎn)生各種氣體、固體廢物和發(fā)電時(shí)產(chǎn)生的余熱對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，燃料中的碳轉(zhuǎn)變?yōu)槎趸歼M(jìn)入大氣，從而導(dǎo)致了溫室效應(yīng)，改變?nèi)驓夂?，危害生態(tài)平衡。因此，新能源的開發(fā)和利用成為了各國科學(xué)家關(guān)注的焦點(diǎn)。熱電材料是一種新型的能源材料，它

2、是一種將熱能和電能相互轉(zhuǎn)換的功能材料，可有效的利用工業(yè)廢熱、汽車廢氣余熱等，并且熱電材料還具有體積小、重量輕、工作過程中無噪音等優(yōu)點(diǎn)。因此，本課題的研究不僅具有理論意義，而且還具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。
　　熱電轉(zhuǎn)化效率的高低由無量綱ZT值來表示，ZT=S2σT/(ke+kl)又叫做熱電優(yōu)值，S與σ分別表示塞貝克系數(shù)與電導(dǎo)率，其中熱導(dǎo)率k=ke+kl，ke、kl分別表示電子熱導(dǎo)率和晶格熱導(dǎo)率，T是絕對(duì)溫度。因此，好的熱電材料應(yīng)該是有大的

3、塞貝克系數(shù)，高的電導(dǎo)率，低的熱導(dǎo)率。金屬材料通常擁有高的電導(dǎo)率，但是也具有高的熱導(dǎo)率。玻璃材料有低的熱導(dǎo)率，但是電導(dǎo)率也非常低。因此，好的熱電材料應(yīng)該具有像“電子晶體-聲子玻璃”的性質(zhì)。半導(dǎo)體硅化物具有高熔點(diǎn)、來源豐富、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，在提高溫度時(shí)化學(xué)性穩(wěn)定，所以在高溫下?lián)碛泻玫男再|(zhì)。半導(dǎo)體氮化物由于其物理和技術(shù)應(yīng)用引起了人們的關(guān)注，晶格結(jié)構(gòu)、彈性、以及相變?cè)趯?shí)驗(yàn)和理論計(jì)算中也被廣泛研究。
　　在本論文中，我們主要研究了半導(dǎo)體硅化

4、物CrSi2、β-FeSi2、半導(dǎo)體氮化物IrN2以及Zintl相化合物Ba3Al3P5、Ba3Ga3P5的熱電性質(zhì)。我們應(yīng)用第一性原理的計(jì)算方法和玻爾茲曼理論計(jì)算了CrSi2、β-FeSi2、 IrN2、 Ba3Al3P5與Ba3Ga3P5的電子結(jié)構(gòu)，并探索了其熱電性質(zhì)。經(jīng)過計(jì)算，我們發(fā)現(xiàn)CrSi2的熱電性質(zhì)p型要好于n型，其原因可能是電導(dǎo)率大的各向異性引起的。對(duì)于CrSi2，沿著z方向空穴的有效質(zhì)量小于沿著x方向，結(jié)果空穴沿著z方向

5、的遷移率要高于沿著x方向的。我們還預(yù)測(cè)了當(dāng)空穴摻雜的濃度為1-6×1021 cm-3可以提高CrSi2的熱電性能，這對(duì)實(shí)驗(yàn)也有一定的指導(dǎo)作用。n型β-FeSi2的輸運(yùn)性質(zhì)好于p型的，其原因可能是電導(dǎo)率大的各向異性引起的。運(yùn)用第一性原理和玻爾茲曼輸運(yùn)計(jì)算，我們分析了IrN2的熱電性質(zhì)。我們計(jì)算了IrN2的塞貝克系數(shù)、電導(dǎo)率、載流子濃度、功率因子、最大熱電優(yōu)值。溫度為720 K時(shí)，對(duì)于純相IrN2塞貝克系數(shù)為260μV/K，這表明IrN2是