典型热电材料的第一原理计算

摘要

随着科技的快速发展和量子化学这门学科的不断改进,模拟计算在材料的研究发展过程中发挥越来越关键的作用,材料计算可以预测材料的特性进而开发出新的性能优越的材料,而且还可以解释一些实验中出现的现象。近年来笼型化合物因有电子晶体-声子玻璃之称而广泛受到人们的关注,笼型化合物的空间结构是一个笼子形状,中间有一个中心原子,其他的原子构成了笼子的框架,这样中心原子和框架原子必然有空隙,会引起中心原子在笼中震动,震动引起声子散射,从而热导率也大幅降低。层状结构的 In4Se3热导率比较低,在层和层的中间是由于范德瓦尔斯力而结合在一起的,在层内是通过较强的共价键结合,在电荷密度波平面内有较高的塞贝克系数和较低的热导率,引起了广泛的关注和研究。
　　本文以Ba8-xAxCu16P30(A=Sr, Eu)、In4X3( X=Te,Se)几种典型热电材料为研究对象,利用基于密度泛函理论的WIEN2k计算软件对结构进行最优化,并且对态密度和能带结构进行研究,然后利用计算结果,借助Boltztrap接口软件计算出电导率和赛贝克系数。另本文根据计算结果预测了具有半金属特性Ti2CoAl(Ga)的热电性能。主要结果与结论如下:
　　(1)建立Ba8Cu16P30的空间结构,得出电导率和赛贝克系数,和文献报道的实验结果相比,电导率明显比较高,说明在改善实验条件的前提下仍有提高电导率的空间。
　　(2)用Sr取代Ba填充在笼子的中心,自洽计算能量收敛很快,因此,可以预测在适当的实验条件下,有希望合成新型化合物Sr8Cu16P30。
　　(3)用 Eu取代 Ba填充在笼子的中心时,计算结果显示自旋向上和自旋向下态密度图是不对称的。说明 EuBa7Cu16P30是磁性的,其磁性主要来自Eu的4f电子的贡献。
　　(4)对In4X3(X=Te, Se)的能带结构和态密度进行分析可知它们都是直接能带半导体,禁带宽度分别为0.22eV和0.18eV,当用一个Se取代In4Te3中的Te的时候,显示赛贝克系数由正变成了负,说明半导体材料的导电性质发生了根本性的变化,由原来的P型半导体转变成了N型半导体。电阻率和温度的之间的关系也发生显著变化。获得了与实验定性一致的计算结果。
　　(5)为了研究新化合物Ti2CoAl的物性,我们建立了两种晶体结构模型,分别假设它的具有立方的Cu2MnAl型(空间群:Fm3m,216号)和Hg2CuTi(空间群:F43m,225号)结构。结构优化计算结果表明:225号空间结构群空间群结构比216号结构Ti2CoAl的能量低很多,前者的铁磁相更稳定。
　　(6)对态密度图进行分析发现自旋向上没有带隙,表现为金属特性,而自旋向下出现0.4eV的带隙,确定了Ti2CoAl具有半金属性质。Ti2CoAl的总磁矩为2μB,合金的磁矩主要是由于Ti原子做出的贡献,Ti1的磁矩为1.076μB,Ti2的磁矩为0.580μB。

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第一章 绪论

1.1 热电材料研究背景和意义

1.2 材料计算科学简介

1.3 第一原理计算的重要意义

1.4 密度泛函理论

1.5 本文采用主要计算软件

1.6 本文研究意义和主要内容

第二章 笼型化合物Ba8-xAxCu16P30第一原理计算

2.1研究背景

2.2 计算方法及模型

2.3电子结构及输运性质

2.4 本章小结

第三章 半金属Ti2CoAl（Ga）的热电性质及电子结构

3.1 半金属材料的分类

3.2 Ti2CoAl(Ga)的理论模型

3.3 Ti2CoAl的最优化结果

3.4 Ti2CoAl和Ti2CoGa合金的能带及态密度

3.5 本章小节

第四章 In4X3(X=Te,Se)的电子结构

4.1 研究背景

4.2 计算方法

4.3结果和讨论

4.4 本章小节

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

附录