块状材料TcX2、FeAsS和二维材料α-Te热电性质的第一性原理研究

论文摘要

随着社会的发展,能源问题已经成为新世纪人类面临的最严峻的挑战之一。调查研究表明人类总能源消耗的将近90%是来自于化石燃料,并且社会能量的总需求量呈现一个逐年上涨趋势,但是化石燃料是不可再生能源,如果仅仅只是依靠化石燃料,能源总会有枯竭的一天,同时据了解化石燃料的使用效率大约只有30%,在化石燃料的使用过程会伴随着大量的废热废气的排放,因此在产生巨大能源的浪费的同时,也给环境带来严重的污染,为此能源的多元化以及提高能源利用率是一件非常重要的事情。热电材料能够实现热能和电能的直接相互转换,并且在废热回收、微电子学、航空航天、生物医学中得到了很好的应用;热电材料器件具有体积小、重量轻、无震动、无污染、使用周期长等优点,因此热电材料是一个极具运用价值和发展前景的一个能源材料;由于传统的热电材料的热电转换效率并不高,因此很难实现热电材料的大规模应用,所以寻找热电转换效率高的新型热电材料以及提高传统热电材料的热电转换效率是至关重要的事情。本文基于是第一性原理和玻尔兹曼输运方程（Boltzmann theory）,研究了块状材料TcX2（X=S,Se,Te）,FeAsS以及单层材料α-Te的热电转换性能。首先,我们研究了块状TcX2（X=S,Se,Te）热电性质,发现TcX2的热电转换系数具有明显的各向异性。TcS2和TcSe2在适当的掺杂浓度下拥有较高的Seebeck系数,然而TcTe2的Seebeck系数相对比较小,Seebeck系数的峰值随着载流子浓度的增大而提高。同时我们观察到材料能够拥有相对较大的功率因子。这些结果表明TcX2（X=S,Se,Te）具有好的电子输运性质,据此我们可以预测材料很大的可能会有一个比较高的热电转换效率。其次,我们研究了块状FeAsS的电子结构和热电转换性能。研究发现FeAsS是带隙为0.73eV的间接带隙半导体;材料的晶格热导率非常低,在任意方向处于很大的温度范围晶格热导率始终小于1Wm-1K-1;材料的热电优值具有明显的各向异性,并且P型掺要优N型掺杂;材料的x,y,z方向的热电优值在P型掺杂的情况下分别可以达到0.84,0.82,0.63;相应的x,y,z方向在N型掺杂的情况下的热电优值也分别可达到0.62,0.71,0.59。因此我们可以预测材料的热电转换性能良好。最后,我们还研究了单层二维材料α-Te的热电性能,我们的计算表明α-Te是一种带隙为0.63eV的间接带隙半导体。通过系统分析我们计算所得的结果,发现在我们所研究的温度条件和载流子浓度范围下,α-Te的平均Seebeck系数无一例外都大于200μVK-1,电导率也在1×106W-1m-1量级这样一个有利的范围,并且在50K到1500K的温度范围内晶格热导率始终比4Wm-1K-1要小,这样的晶格热导率是极小的。特别重要的是,α-Te的热电优值超过了4.5。我们的计算和分析结果表明,α-Te是一种具有极高的热电转换效率的热电材料。

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摘要

Abstract

1 绪论

1.1 热电材料的研究背景

1.2 衡量热电性能的指标

1.3 提高材料热电性能的主要途径

1.4 本文的工作

2 理论基础和计算流程介绍

2.1 能带理论

2.2 波尔兹曼输运理论（Boltzmann输运理论）

2.3 计算程序和计算流程

2（X=S,Se,Te）热电性能的研究'>3 TcX₂（X=S,Se,Te）热电性能的研究

2（X=S,Se,Te）的研究背景'> 3.1 TcX₂（X=S,Se,Te）的研究背景

2（X=S,Se,Te）热电性能的研究'> 3.2 TcX₂（X=S,Se,Te）热电性能的研究

3.3 本章小结

4 基于第一性原理研究FeAsS的热电性质

4.1 FeAsS的研究背景

4.2 FeAsS的热电性能的研究

4.3 本章小结

5 α-Te中极高的无量纲优值（ZT）

5.1 α-Te的研究背景

5.2 α-Te热电性能的研究

5.3 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

附录 I 攻读硕士学位期间发表论文

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 江霞

导师: 朱琳

关键词: 热电优值,系数,功率因子,晶格热导率,第一原理计算

来源: 华中科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 物理学,材料科学

单位: 华中科技大学

分类号: TB34;O469

DOI: 10.27157/d.cnki.ghzku.2019.004413

总页数: 59

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块状材料TcX2、FeAsS和二维材料α-Te热电性质的第一性原理研究

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