半赫斯勒合金電熱輸運(yùn)特性的理論研究.pdf

1、熱電材料是一種能將熱能和電能直接相互轉(zhuǎn)換的功能材料，可用于熱電發(fā)電和制冷。熱電發(fā)電或制冷裝置具有可靠性高、結(jié)構(gòu)緊湊、壽命長(zhǎng)、工作時(shí)無(wú)噪聲、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。熱電器件已經(jīng)在部分高科技產(chǎn)業(yè)得到成功應(yīng)用，如:利用放射性同位素供熱的熱電發(fā)電器應(yīng)用于美國(guó)宇航局發(fā)射的“旅行者一號(hào)”飛船和“伽利略木星探測(cè)器”上。
　　 近年來(lái)，由于能源與環(huán)境成為全球可持續(xù)發(fā)展的兩大主題，人們正迫切的找尋新型的綠色環(huán)保能源。熱電材料作為綠色、清潔的能源材料，正受到

2、科學(xué)家們密切的關(guān)注和研究，它有望在家用制冷、汽車(chē)尾氣廢熱發(fā)電等方面得到廣泛應(yīng)用。
　　 作為一種新型熱電材料—half-Heusler合金，與其它熱電材料相比，它具有獨(dú)特的優(yōu)越性:大的功率因子和晶體結(jié)構(gòu)空洞。作為一種潛在的熱電性能好的熱電材料，half-Heusler合金受到了廣泛關(guān)注。本論文以已報(bào)道的18種具有half-Heusler結(jié)構(gòu)的化合物作為研究對(duì)象，其原胞中的價(jià)電子數(shù)均為18。利用密度泛函理論和密度泛函微擾理論計(jì)算它

3、們的電子性質(zhì)和熱力學(xué)性質(zhì)，并通過(guò)群速度預(yù)測(cè)出優(yōu)異的熱電性能。通過(guò)系統(tǒng)的研究，本論文凝練出以下創(chuàng)新結(jié)果:
　　 (1)利用密度泛函理論和密度泛函微擾理論計(jì)算了10種原胞中價(jià)電子數(shù)為18的Sb基half-Heusler合金的電子結(jié)構(gòu)和晶格熱力學(xué)相關(guān)性質(zhì)，并得到如下結(jié)論:(Ⅰ)TiCoSb、TiRhSb在費(fèi)米能級(jí)附近態(tài)密度比較陡峭，而VFeSb和VRuSb在費(fèi)米能級(jí)附近帶隙比較窄，而且有陡峭的態(tài)密度;(Ⅱ)原子質(zhì)量數(shù)越大對(duì)晶格振動(dòng)能量

4、的傳播貢獻(xiàn)越大;低溫區(qū)晶格熱容量值對(duì)不同材料的熱導(dǎo)率影響比較明顯，而在中高溫區(qū)對(duì)不同材料的熱導(dǎo)率影響比較小;從熱導(dǎo)率的角度，可以推出TiCoSb、VFeSb和VRuSb具有較低的熱導(dǎo)率。
　　 (2)利用密度泛函理論和密度泛函微擾理論對(duì)8種原胞中價(jià)電子數(shù)為18的Sn基half-Heusler合金的電子性質(zhì)、彈性性質(zhì)以及聲子性質(zhì)進(jìn)行了研究，并得到如下結(jié)論:(Ⅰ)它們均是間接帶隙半導(dǎo)體，它們的帶隙值都比較小，其中TiPtSn和TiN

5、iSn的費(fèi)米能級(jí)處在帶隙邊緣位置并且?guī)断鄬?duì)最窄，而且費(fèi)米能級(jí)附近的態(tài)密度急劇增大。(Ⅱ)通過(guò)對(duì)彈性性質(zhì)的計(jì)算結(jié)果表明它們均滿(mǎn)足力學(xué)穩(wěn)定性條件。(Ⅲ)對(duì)聲子色散譜的分析表明它們均存在LO-TO劈裂。通過(guò)對(duì)聲子分波態(tài)密度的分析表明原胞中原子質(zhì)量數(shù)越大對(duì)聲學(xué)支的貢獻(xiàn)就越大;對(duì)熱容量的計(jì)算發(fā)現(xiàn)在202.1K-1000K溫度范圍內(nèi)，它們的熱容量值比較接近，即從熱容量的角度這幾種合金的熱電性能相當(dāng);對(duì)群速度的計(jì)算發(fā)現(xiàn)HfNiSn的群速度最低，即具