第一性原理研究Mg2X(X=Si,Ge,Sn,Pb)的电子结构及热电性质

摘要

随着全球工业化进程的加快，世界能源危机和环境污染已成为各个国家不容忽视的问题，严重制约着人类发展。研究和开发新能源已成为全球能源发展的趋势。而热电材料作为可再生的新型能源材料受到了人们的广泛关注。热电材料可以实现热能和电能之间的相互转换。然而目前较低的热电转换效率限制了热电技术的广泛应用。因此，寻找和探索提高材料热电转换效率的方法和手段对于热电技术的广泛应用具有重要的意义。热电转换效率可以用无量纲的热电优值ZT来衡量，其中ZT值越大，热电转换效率越高。本论文采用第一性原理计算方法结合半经典的玻尔兹曼理论研究Mg2X(X=Si，Ge， Sn，Pb)化合物的晶格结构、电子结构和热电性质，探索提高材料ZT值的方法。本论文研究内容主要分两部分：
　　第一部分利用密度泛函理论以及半经典玻尔兹曼输运理论研究了Mg2X(X=Si, Ge, Sn)的电子结构和输运性质。我们发现这三种化合物p型的热电性质比n型的好，这是由于它们的价带顶出现了多能谷简并（Nv=3），而导带底没有出现简并。特别是Mg2Sn在温度为800 K，载流子浓度为1.0?1020 h+cm-3时ZT值达到1.1，这个值比Mg2Si（0.8）和 Mg2Ge（1.0）都要高。另外，我们研究了这三种物质的热力学性质，发现随着非金属元素原子序数逐渐增大，元素电负性逐渐降低，物质的密度逐渐升高，横波声速和纵波声速逐渐降低，从而导致Mg2Si，Mg2Ge和Mg2Sn的热导率随着原子序数增大而降低，到 Mg2Sn时，热导率达到最低，因此，Mg2Sn具有很好的热电性质。另外，我们的研究结果表明：材料的多能谷简并能提高材料的热电性质。这为我们提供了一个优化材料热电性质的途径：通过能带调控，促使能带简并来提高材料的热电性质。
　　第二部分在电子结构的探索中发现了另外一个非常有意思的现象：能带反转。在Mg2Si，Mg2Ge的导带中，Mg-3s轨道提供的能带在X-p轨道提供的能带上面；有趣的是随着X元素的原子序数增大，在Mg2Sn中，这样的能带结构出现了反转，原本在Mg-3s上面的X-p能带跑到Mg-3s下面，这是由于X元素的p层电子轨道能级和元素的原子半径逐渐增大导致的。对于Mg2X(X=Si, Ge, Sn)，由于反转的能带结构，于是我们猜想：对于出现能带反转的两种化物进行共融：Mg2Si1-xSnx，Mg2Ge1-xSnx，Mg2Si1-x-ySnxGey等等，随着 x的增加，X-p、Mg-3s这两条能带必然会出现简并。而且，通过能带的分析，揭示了能带简并更普遍的方式：只要结构相同出现能带反转的两种物质通过掺杂或共融，反转的能带必然会出现简并。这为优化材料热电性质提供了一个新的途径，而且比传统通过温度（PbTe）和重掺杂（SnSe）调控能带具有更好的优势：不会受到温度和掺杂浓度的影响。因此，通过能带反转促使多能谷简并在热电材料中具有很重要的研究价值。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 热电现象的三个基本效应

1.3 表征热电材料的基本参数

1.4 优化热电性质的途径

1.5 热电材料的研究进展

1.6 主要研究内容

参考文献

第2章 计算方法

2.1 引言

2.2 密度泛函理论

2.3 本文的计算方法

参考文献

第3章Mg2X (X=Si, Ge, Sn)的电子结构和热电性质

3.1 研究背景

3.2 结果与讨论

3.3 本章小结

参考文献

第4章 利用能带反转促使多能谷简并提高功率因子

4.1 研究背景

4.2 结果和讨论

4.3 本章小结

参考文献

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

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