新型氧硫族化合物熱電材料性能計算及應力應變調(diào)控.pdf

1、熱電器件能夠把廢熱直接轉(zhuǎn)換成電能，在解決能源危機和環(huán)境污染問題等方面具有極大的應用潛力。近年來，人們在實驗上發(fā)現(xiàn)新型氧硫族化合物BiCuOCh(Ch: S,Se,Te)、CuGaTe2和SrTiO3具有優(yōu)良的熱電性能。然而，目前相應的熱電理論計算落后于實驗，不利于這些熱電材料性能的進一步提升?；诖耍菊撐牟捎玫谝恍栽?，以新型氧硫族化合物熱電材料為研究對象，通過計算其電子結(jié)構(gòu)，探究其優(yōu)良熱電性能的微觀機理。在此基礎(chǔ)上，采用半經(jīng)典玻爾茲

2、曼理論計算其熱電性能，對其摻雜載流子濃度進行優(yōu)化設(shè)計。最后，探究外應力以及應變對其熱電性能的調(diào)控。本論文主要開展了以下幾個方面的工作：
　　(1)探究了BiCuOCh、CuGaTe2和SrTiO3熱電輸運的微觀機理。采用第一性原理對其各自的電子結(jié)構(gòu)進行計算。通過分析BiCuOCh電子結(jié)構(gòu)的特征，發(fā)現(xiàn)BiCuOCh價帶頂?shù)腃u3d軌道與Chnp軌道組成的CuCh反鍵態(tài)決定其熱電性能。分析CuGaTe2的電子結(jié)構(gòu)特征，發(fā)現(xiàn)CuGaTe

3、2靠近費米面的價帶部分既有重帶又有輕帶，這是p型CuGaTe2具有高Seebeck系數(shù)和較高電導率的微觀機理。分析SrTiO3的能帶結(jié)構(gòu)特征，探究了n型SrTiO3具有高Seebeck系數(shù)的微觀機理。
　　(2)計算了BiCuOCh、CuGaTe2和SrTiO3的擇優(yōu)載流子濃度。通過第一性原理結(jié)合玻爾茲曼輸運方程，計算了其熱電性能隨化學勢、溫度以及濃度的變化關(guān)系，并與實驗值進行比較。通過分析其功率因子與弛豫時間比值的峰值，得到這些

4、新型氧硫族化合物擇優(yōu)的載流子濃度。探討了這些熱電材料處于p型或n型摻雜時其熱電性能的差異。
　　(3)研究了外應力對BiCuOSe和CuGaTe2熱電性能的調(diào)控。計算外應力下這兩種熱電化合物電子結(jié)構(gòu)和熱電性能，分析外應力下這兩種熱電材料電子結(jié)構(gòu)和熱電性能的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)外應力是有效增強這兩種化合物電導率的途徑，并探究了外應力對其熱電性能調(diào)控的微觀機制。
　　(4)研究了雙軸應變對CuGaTe2和SrTiO3熱電性能的調(diào)控。計

5、算CuGaTe2與SrTiO3在雙軸應變下的電子結(jié)構(gòu)及其熱電性能，分析了應變情況下其電子結(jié)構(gòu)與熱電性能的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了應變情況下其熱電性能的面內(nèi)分量與面外分量出現(xiàn)互補的特性，探討了應變情況下其熱電性能變化的微觀機理。
　　本論文的研究建立了新型氧硫族化合物微觀電子結(jié)構(gòu)與其宏觀熱電性能之間的關(guān)聯(lián)，在此基礎(chǔ)之上，發(fā)現(xiàn)摻雜、外應力以及應變等能帶工程方法能有效對其熱電性能進行調(diào)控。這些工作為實驗上進一步提高新型氧硫族化合物熱電優(yōu)值提供了