新型氧硫族化合物热电材料性能计算及应力应变调控

摘要

热电器件能够把废热直接转换成电能，在解决能源危机和环境污染问题等方面具有极大的应用潜力。近年来，人们在实验上发现新型氧硫族化合物BiCuOCh(Ch: S,Se,Te)、CuGaTe2和SrTiO3具有优良的热电性能。然而，目前相应的热电理论计算落后于实验，不利于这些热电材料性能的进一步提升。基于此，本论文采用第一性原理，以新型氧硫族化合物热电材料为研究对象，通过计算其电子结构，探究其优良热电性能的微观机理。在此基础上，采用半经典玻尔兹曼理论计算其热电性能，对其掺杂载流子浓度进行优化设计。最后，探究外应力以及应变对其热电性能的调控。本论文主要开展了以下几个方面的工作：
　　(1)探究了BiCuOCh、CuGaTe2和SrTiO3热电输运的微观机理。采用第一性原理对其各自的电子结构进行计算。通过分析BiCuOCh电子结构的特征，发现BiCuOCh价带顶的Cu3d轨道与Chnp轨道组成的CuCh反键态决定其热电性能。分析CuGaTe2的电子结构特征，发现CuGaTe2靠近费米面的价带部分既有重带又有轻带，这是p型CuGaTe2具有高Seebeck系数和较高电导率的微观机理。分析SrTiO3的能带结构特征，探究了n型SrTiO3具有高Seebeck系数的微观机理。
　　(2)计算了BiCuOCh、CuGaTe2和SrTiO3的择优载流子浓度。通过第一性原理结合玻尔兹曼输运方程，计算了其热电性能随化学势、温度以及浓度的变化关系，并与实验值进行比较。通过分析其功率因子与弛豫时间比值的峰值，得到这些新型氧硫族化合物择优的载流子浓度。探讨了这些热电材料处于p型或n型掺杂时其热电性能的差异。
　　(3)研究了外应力对BiCuOSe和CuGaTe2热电性能的调控。计算外应力下这两种热电化合物电子结构和热电性能，分析外应力下这两种热电材料电子结构和热电性能的变化规律，发现外应力是有效增强这两种化合物电导率的途径，并探究了外应力对其热电性能调控的微观机制。
　　(4)研究了双轴应变对CuGaTe2和SrTiO3热电性能的调控。计算CuGaTe2与SrTiO3在双轴应变下的电子结构及其热电性能，分析了应变情况下其电子结构与热电性能的变化规律，发现了应变情况下其热电性能的面内分量与面外分量出现互补的特性，探讨了应变情况下其热电性能变化的微观机理。
　　本论文的研究建立了新型氧硫族化合物微观电子结构与其宏观热电性能之间的关联，在此基础之上，发现掺杂、外应力以及应变等能带工程方法能有效对其热电性能进行调控。这些工作为实验上进一步提高新型氧硫族化合物热电优值提供了理论依据，也为理论上研究更为复杂的热电材料体系奠定了基础。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪论

1. 1 热电发展史及热电效应

1. 2 热电器件的工作原理

1. 3 热电材料性能的能带工程调控

1. 4 新型氧硫族化合物热电材料的研究现状

1. 5 本论文的选题依据及主要内容

第2章 密度泛函理论和半经典玻尔兹曼理论及研究方法

2. 1 理论简介

2. 2 计算方法及软件介绍

2. 3 本章小结

第3章 新型氧硫族化合物热电输运的微观机理

3.1 BiCuOCh (Ch: S, Se, Te) 热电输运的微观机理

3.2 CuGaTe2热电输运的微观机理

3.3 SrTiO3热电输运的微观机理

3. 4 本章小结

第4章 新型氧硫族化合物热电材料载流子浓度的优化

4.1 BiCuOCh热电性能的计算

4.2 CuGaTe2热电性能的计算

4.3 SrTiO3热电性能的计算

4. 4 本章小结

第5章 外应力对新型氧硫族化合物热电性能的调控

5.1 外应力对BiCuOSe热电性能的调控

5.2 外应力对CuGaTe2热电性能的调控

5. 3 本章小结

第6章 双轴应变对新型氧硫族化合物热电性能的调控

6.1 双轴应变对CuGaTe2热电性能的调控

6.2 双轴应变对SrTiO3热电性能的调控

6. 3 本章小结

第7章 总结与展望

7. 1 论文总结

7. 2 工作展望

参考文献

致谢

攻读博士期间发表的论文及研究成果