新型二元和三元热电材料的第一性原理研究

摘要

当今，环境问题的凸显促使人们开发绿色能源以及新能源技术。热电转换技术因其可以实现热能与电能的直接相互转换，进而大大提高对能源利用的效率以及减小对环境的污染。然而，热电转换效率一直以来主要受制于材料本身的热电优值。为了实现热电优值的新突破，人们一方面发展了电子能带工程以提高功率因子；另一方面将块体材料发展到低维纳米结构以求突破晶格热导率的极限；此外，人们还致力于寻找高优值的新型块体热电材料。
　　理论计算和预言有助于发现和理解不同热电体系中的电子和声子输运行为，对实验具有良好的指导意义。本文采用第一性原理结合玻尔兹曼输运方程的方法，对热电领域中的一些前沿问题进行了研究，预言了一些二元和三元体系中潜在的热电输运性能，有助于进一步理解热电机理并为实验提供理论参考。
　　首先，我们详细研究了电子能带工程对提高热电输运性能的积极作用。基于PbTe，与之前对价带施加能带工程以优化其p型热电性能不同，我们采用元素替换Pb位置的方式，成功调控了其费米面附近导带的简并，使n型功率因子得到大幅度提升。我们的结果表明，对Pb位置进行轻掺杂可以有效调控PbTe基的导带简并以提高其n型热电性能。基于一些层状化合物由于晶体场的劈裂而在价带边缘出现pz轨道与px,y轨道分离的现象，以过渡金属硫化物ZrS2为例，通过施加双轴应力，成功实现了其价带边缘两个分离轨道的简并，最终使p型热电优值增大近两倍，表明通过轨道简并设计高性能层状热电材料的可行性。
　　其次，预言了单层1T-CdI2型过渡金属硫族化合物ZrSe2和HfSe2中潜在的热电输运性能。低维纳米结构中因声子被散射的几率提高，可获得晶格热导率的降低和热电优值的提高。最近，二维体系中的热电输运成为了大家关注的焦点，单层过渡金属硫族化合物是其中的一个典型。我们的计算结果表明，与之前的2H-MoS2型单层结构相比，1T-CdI2型的单层ZrSe2和HfSe2具有极低的晶格热导率和较高的热电优值，室温下的晶格热导率分别为1.2W/mK和1.8W/mK，其最佳热电优值在中温区域接近1，其极低的晶格热导率主要归因于其较低的声子群速和较高的非谐声子散射率。我们的结果预示了1T-CdI2型单层过渡金属硫族化合物是潜在的二维热电材料。
　　此外，我们研究了MPtBi(M=Sc,Y,La)和TlBiSe2两种拓扑绝缘体的电子和声子输运性质。热电材料与拓扑绝缘体之间的紧密联系使得有希望从一些新型拓扑绝缘体中发现较好的热电性能。计算表明，当half-Heusler结构拓扑绝缘体LaPtBi打开的带隙接近Bi2Te3时，其n型电子输运性能十分接近p型的Bi2Te3；与传统的half-Heusler合金相比，LaPtBi具有极低的晶格热导率，室温下为2.9W/mK。而作为Bi2Se3家族的衍生物，TlBiSe2拓扑绝缘体的电子和声子输运性能完全可以和Bi2Te3相比，其横向的功率因子与Bi2Te3相当，而径向的功率因子明显高于Bi2Te3，室温下横向与径向的晶格热导率分别为0.84W/mK和0.87W/mK，极小的声子各向异性使得TlBiSe2更加适用于热电领域。此外，对比TlBiSe2与Bi2Te3的电子输运发现，多能谷简并的拓扑能带特征具有较好的电子输运性能。因此，可以从拓扑家族材料中寻找潜在的块体热电材料。

目录

声明

1 绪论

1.1 热电效应与热电材料

1.2 电子能带工程

1.3 低维热电材料

1.4 热电材料与拓扑绝缘体

1.5 本文的工作

2 理论基础

2.1 密度泛函理论简介

2.2 玻尔兹曼输运理论

2.3 计算流程

3 能带工程优化PbTe基和ZrS2的热电性能研究

3.1 能带工程优化PbTe基热电性能的研究概述

3.2 能带简并优化PbTe基n型热电性能的研究

3.3 轨道简并优化层状化合物热电性能研究概述

3.4 轨道简并优化过渡金属硫化物ZrS2的热电性能研究

3.5 本章小结

4 单层过渡金属硫族化合物的热电性能研究

4.1 单层过渡金属硫族化合物热电性能的研究进展

4.2 单层过渡金属硫族化合物ZrSe2和HfSe2的热电性能研究

4.3 本章小结

5 MPtBi(M=Sc, Y, La)和TlBiSe2拓扑绝缘体的热电输运研究

5.1 热电材料与拓扑绝缘体研究概述

5.2 Half-Heusler拓扑绝缘体MPtBi(M=Sc, Y, La)的热电性质研究

5.3 拓扑绝缘体TlBiSe2的热电输运研究

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1全文工作总结

6.2下一步工作展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表的学术论文

附录2 攻读博士学位期间所获奖励