Ba2ZnPn2(Pn=As、Sb、Bi)和FeZr-HfxNb1-xSb1-ySny的高熱電性能研究與預(yù)測.pdf

1、能源危機的日益加劇和環(huán)境問題的日益惡化，使新能源的探索和開發(fā)迫在眉睫。熱電材料可以實現(xiàn)熱能和電能之間的直接相互轉(zhuǎn)換，有著廣泛的應(yīng)用前景。一般來說，熱電效率大于1的熱電材料才具有大規(guī)模應(yīng)用的價值，但實際的情況是傳統(tǒng)熱電材料的熱電轉(zhuǎn)換效率普遍比較低。因此，研究、開發(fā)新型熱電材料以及對轉(zhuǎn)換效率低的熱電化合物的性能進行優(yōu)化是目前熱電材料研究的一個重要方向。Zintl相化合物和Half-Heusler合金是兩類新型的中高溫熱電材料。本文以 Zin

2、tl相 Ba2ZnPn2（Pn=As、Sb、Bi）和Half-Heusler合金中的FeNbSb合金為研究對象，針對這些材料存在的問題，采用基于密度泛函理論的第一性原理方法和波爾茲曼理論研究了材料的電子結(jié)構(gòu)以及其熱電性能，并獲得了以下主要的研究成果：
　　本論文基于形變勢（DP）理論計算了Ba2ZnPn2（Pn= As、Sb、Bi）的弛豫時間，并成功預(yù)測了p型Ba2ZnAs2和Ba2ZnSb2沿z方向有大的熱電優(yōu)值。Ba2ZnAs

3、2的塞貝克系數(shù)隨溫度升高單調(diào)增加，這有利于在高溫范圍內(nèi)獲得好的熱電性能。在價帶邊緣四條近似簡并的能帶（Nv=4）主要源于Zn原子和Pn原子之間的相互作用，且Zn-Pn鍵的不同強度導(dǎo)致了三種Zintl相材料有不同的能量彌散度。弱的Zn-As鍵降低了這四條能帶的彌散度，使價帶邊緣附近的總密度急劇增加，從而增大了Ba2ZnAs2的塞貝克系數(shù)；而強的Zn-Bi鍵增大了這四條能帶的彌散度，減小了價帶邊緣價帶有效質(zhì)量，這有利于載流子遷移率的提高。另

4、外，在價帶邊緣的四條近似簡并的能帶（兩條重帶和兩條輕帶）是處于輕重帶交疊的狀態(tài)，這有助于同時提高塞貝克系數(shù)和電導(dǎo)率。計算結(jié)果還顯示，在z方向p型摻雜的Ba2ZnAs2和Ba2ZnSb2的最佳ZT值都大于2。
　　先前的實驗工作表明：Hf或Zr摻雜明顯改善了FeNbSb合金的熱電性能。本論文探究了這種現(xiàn)象的可能原因。用X（Zr/Hf）原子取代Nb原子有效地增加了費米能級（EF）附近的總密度和空穴遷移率，進而在很大程度上提高了其電導(dǎo)率

5、。這主要是因為當 EF被移動到較低能量時，參與輸運的價帶能谷增多，在EF附近，X原子周圍最近鄰的Fe原子，提供了更多的d電子態(tài)以與X原子的d電子態(tài)雜化。此外還發(fā)現(xiàn)X原子通過它們最近鄰的Fe原子間接地影響了Nb原子周圍的電荷分布，導(dǎo)致價帶邊緣能量差減小，進而使塞貝克系數(shù)增大。另外，更進一步的Bader電荷分析表明，Hf原子損失較少的電子以及Hf原子和其最近的Fe原子之間有更強的雜化，導(dǎo)致了在實驗中Hf摻雜能夠比Zr摻雜提供更多的空穴。此外