SnS及CrN熱電材料第一性原理研究.pdf

1、熱電材料是指一類能夠?qū)崮苻D(zhuǎn)化為電能的材料體系，廣泛應(yīng)用于便攜式電子產(chǎn)品、航空航天及國防軍事等領(lǐng)域。但是，目前商品化的熱電材料主要是銻化鉍，由于其具有較大的毒性，副反應(yīng)較多，成本較高，熱電優(yōu)值不高等缺點，限制了它的廣泛應(yīng)用。因此研究和開發(fā)新型具有優(yōu)異熱電性質(zhì)的材料體系成為當(dāng)務(wù)之急。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步以及量子力學(xué)這門學(xué)科的不斷發(fā)展，模擬計算在材料的研究設(shè)計中起到越來越關(guān)鍵的作用。通過對材料原子尺度的計算，我們可以準(zhǔn)確的預(yù)測材料的一些性

2、能和解釋實驗中出現(xiàn)的現(xiàn)象，進(jìn)而為實驗探究提供理論依據(jù)。
　　本文基于第一性原理，對兩種潛在的新型熱電材料硫化亞錫（SnS）及氮化鉻（CrN）進(jìn)行了研究，重點分析了兩種材料的能帶結(jié)構(gòu)（Energy band structure）和態(tài)密度結(jié)構(gòu)（Density of states）。結(jié)果表明，硫化亞錫是一種間隙能隙半導(dǎo)體，能隙寬度為Eg=0.733eV，同時也表明它可以在較高溫度下獲得更好的熱電性能，這與現(xiàn)有的實驗結(jié)果相吻合。并且通過在

3、500K與700K時對硫化亞錫的運輸性質(zhì)進(jìn)行研究，我們發(fā)現(xiàn)其在700K時具有更大的功率因子，與之前的能帶結(jié)構(gòu)分析結(jié)果相對應(yīng)。除此之外，通過分析塞貝克系數(shù)、電導(dǎo)率和功率因子隨費米能級的變化情況，表明對硫化亞錫材料體系而言p型摻雜要優(yōu)于n型摻雜。在此基礎(chǔ)上，我們選擇了Na、Mg、Al、Si、Ge、Pb六種元素對其進(jìn)行摻雜，通過形成能結(jié)算證明可以存在摻雜穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，并分析了摻雜后的能帶結(jié)構(gòu)與態(tài)密度結(jié)構(gòu)圖，發(fā)現(xiàn)Al與Pb摻雜后較有可能得到較高的塞

4、貝克系數(shù)和電導(dǎo)率，進(jìn)而得到具有較高熱電優(yōu)值的熱電材料。另一個材料體系氮化鉻費米面位于價帶中，呈現(xiàn)金屬特性，具有較高的電導(dǎo)率。通過計入自旋極化與不計入自旋極化兩種計算方式，初步分析了其塞貝克系數(shù)與電導(dǎo)率變化情況，發(fā)現(xiàn)在兩種條件下塞貝克系數(shù)相差不大，但是計入自旋極化后材料的電導(dǎo)率明顯提升，因而可能具有更高的功率因子。
　　我們通過上述理論計算可以初步揭示材料的微觀電子結(jié)構(gòu)，并根據(jù)計算所得的能帶結(jié)構(gòu)與態(tài)密度結(jié)構(gòu)圖分析材料的半導(dǎo)體性質(zhì)，最