AgKTe,MCoBi(M=Ti,Zr,Hf),AgIn5Te8半导体热电材料的第一性原理研究

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近年来,由于能源危机和随之而产生的环境污染问题,寻求可持续的清洁能源已成为一项世界性的挑战。热电材料能够将热能直接转化为电能,并且不产生任何污染,是一种十分有潜力的新能源材料,这也受到人们的广泛关注。为了实现更广泛的热电应用,最具有挑战性的方面是提高热电材料的效率,因此,寻找本征ZT值较高的半导体材料是获得高热电转换效率的有效途径。基于第一性原理,我们计算半导体的各个热电相关的输运系数,综合评估材料的热电转换效率,为实验上设计、制备和改进热电材料的性能提供更多的理论指导。本文包括以下几个方面的研究:首先,我们通过密度泛函理论(DFT),采用VASP软件研究了AgKTe的电子结构,在此基础上通过形变势理论对材料的弛豫时间和载流子迁移率进行了计算,并结合半经典的Boltzmann输运理论来研究了材料的电子输运性质,同时我们基于Debye-Callaway模型评估了材料晶格热导率。研究表明,AgKTe呈现出典型的直接窄带隙半导体结构,而且n型体系的弛豫时间要明显优于p型体系。我们还发现AgKTe半导体材料无论是n型还是p型体系,在室温下通过调节载流子浓度,其ZT值均能达到1.7,这样的ZT值也高于一些典型的室温热电材料,因此我们预测AgKTe是一种潜在的优良的室温热电材料,值得实验进一步研究证实。其次,我们研究了MCoBi(M=Ti,Zr,and Hf)的热电性能。通过计算MCoBi三个体系的声子色散曲线,并没有出现虚频声子,这表明了它们拥有良好的动力学稳定性,并采用GGA+PBE方法研究了它们的电子结构性质,发现MCoBi三个体系均呈现出间接半导体特征。之后,我们进一步计算得到了MCoBi的电子输运系数,结果发现,M元素显著影响了MCoBi的电子输运性质,尤其对于它们的n型体系。另外,我们从体系的弹性性质出发,利用Slack模型计算了MCoBi的晶格热导率。研究结果表明,MCoBi的p型体系热电性能要优于n型体系,其中,p型ZrCoBi在800 K时达到1.7的最大ZT值,p型TiCoBi和HfCoBi的最大ZT值分别为1.4和1.5,这为设计和开发高效的MCoBi化合物热电材料提供了有价值的参考。最后,我们基于DFT,结合半经典的Boltzmann理论和形变势理论以及Slack模型对AgIn5Te8的电子结构性质和热电传输性能进行了计算。结果表明,AgIn5Te8的电和热输运的各向异性行为支持了实验上所观察到的现象,所计算的晶格热导率与实验值也符合良好。最终,通过调节载流子浓度和温度,p型AgIn5Te8在xx方向上可获得最大热电系数值2.28。本文的结果为进一步研究AgIn5Te8的热电性能提供了理论依据,也为提高AgIn5Te8的热电转换效率提供了思路。
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