半赫斯勒合金电热输运特性的理论研究

摘要

热电材料是一种能将热能和电能直接相互转换的功能材料，可用于热电发电和制冷。热电发电或制冷装置具有可靠性高、结构紧凑、寿命长、工作时无噪声、无污染等优点。热电器件已经在部分高科技产业得到成功应用，如:利用放射性同位素供热的热电发电器应用于美国宇航局发射的“旅行者一号”飞船和“伽利略木星探测器”上。
　　 近年来，由于能源与环境成为全球可持续发展的两大主题，人们正迫切的找寻新型的绿色环保能源。热电材料作为绿色、清洁的能源材料，正受到科学家们密切的关注和研究，它有望在家用制冷、汽车尾气废热发电等方面得到广泛应用。
　　 作为一种新型热电材料—half-Heusler合金，与其它热电材料相比，它具有独特的优越性:大的功率因子和晶体结构空洞。作为一种潜在的热电性能好的热电材料，half-Heusler合金受到了广泛关注。本论文以已报道的18种具有half-Heusler结构的化合物作为研究对象，其原胞中的价电子数均为18。利用密度泛函理论和密度泛函微扰理论计算它们的电子性质和热力学性质，并通过群速度预测出优异的热电性能。通过系统的研究，本论文凝练出以下创新结果:
　　 (1)利用密度泛函理论和密度泛函微扰理论计算了10种原胞中价电子数为18的Sb基half-Heusler合金的电子结构和晶格热力学相关性质，并得到如下结论:(Ⅰ)TiCoSb、TiRhSb在费米能级附近态密度比较陡峭，而VFeSb和VRuSb在费米能级附近带隙比较窄，而且有陡峭的态密度;(Ⅱ)原子质量数越大对晶格振动能量的传播贡献越大;低温区晶格热容量值对不同材料的热导率影响比较明显，而在中高温区对不同材料的热导率影响比较小;从热导率的角度，可以推出TiCoSb、VFeSb和VRuSb具有较低的热导率。
　　 (2)利用密度泛函理论和密度泛函微扰理论对8种原胞中价电子数为18的Sn基half-Heusler合金的电子性质、弹性性质以及声子性质进行了研究，并得到如下结论:(Ⅰ)它们均是间接带隙半导体，它们的带隙值都比较小，其中TiPtSn和TiNiSn的费米能级处在带隙边缘位置并且带隙相对最窄，而且费米能级附近的态密度急剧增大。(Ⅱ)通过对弹性性质的计算结果表明它们均满足力学稳定性条件。(Ⅲ)对声子色散谱的分析表明它们均存在LO-TO劈裂。通过对声子分波态密度的分析表明原胞中原子质量数越大对声学支的贡献就越大;对热容量的计算发现在202.1K-1000K温度范围内，它们的热容量值比较接近，即从热容量的角度这几种合金的热电性能相当;对群速度的计算发现HfNiSn的群速度最低，即具有较低的热导率，可能具有较好的热电性能。