【摘 要】
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当今社会,不可再生资源例如石油,煤炭等的需用量随着世界工业化与全球科技的不断进步而逐年增加。不可再生资源的大规模使用造成了中国能源短缺和环境污染严重。所以寻找清洁可持续的能源是解决这些问题的关键。由于部分不可再生资源的燃烧过程中排放的物质中有很多是以热能的形式排出并没有得到有效的利用。如果能够利用这一部分热能对于缓解环境污染和能源短缺是非常重要的。出于这种目的,热电材料作为一种能够将热能直接转化为
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当今社会,不可再生资源例如石油,煤炭等的需用量随着世界工业化与全球科技的不断进步而逐年增加。不可再生资源的大规模使用造成了中国能源短缺和环境污染严重。所以寻找清洁可持续的能源是解决这些问题的关键。由于部分不可再生资源的燃烧过程中排放的物质中有很多是以热能的形式排出并没有得到有效的利用。如果能够利用这一部分热能对于缓解环境污染和能源短缺是非常重要的。出于这种目的,热电材料作为一种能够将热能直接转化为电能的功能性材料,引起社会科学家们广泛的关注。热电材料具备无污染、易于控制、使用寿命长的优点,然而由于转化效率高的材料太小接近几乎没有,并且其没有得到广泛的应用。因此,寻找高转换效率的热电材料并将其推广发展具有十分重要的意义。因为对于热电材料的转换效率来说,其在确定温度下由无量纲品质因数ZT值决定,寻找高ZT值的热电材料是一个非常有意义的研究课题。本文以基于第一性原理的密度泛函理论（DFT）为基础,用理论计算方法分析研究半导体材料的热电性能,这样为实验的设计与制备热电材料提供理论指导。其中理论计算的研究工作分别为:1.通过声子谱的计算,证实了化合物Half-Heusler（HH）BXGa（X=Be,Mg,and Ca）的动力学稳定性。基于所得结构,利用VASP软件对BXGa化合物的电子结构性质进行计算。结果分析表明,它们是具有一个窄带隙的直接带隙的半导体。运用形变势理论计算得到了它们的弛豫时间（τ）和载流子迁移率（μ）,结果显示电子的τ和μ明显高于空穴的。晶格热导率采用Slack模型计算。基于第一性原理进行计算的能带结构图,通过Boltz Tra P2软件求解玻尔兹曼方程得到输运系数。最终计算出这些材料的ZT值。结果表明n-type BCa Ga在温度为700 K载流子浓度为1.14×1019cm-3时,ZT值峰可达7.38,是非常有潜力的热电材料候选物。2.基于Debye-Callaway模型计算热导率,研究了氟化物钙钛矿Be MF3（M=Al,Y）不同温度下的热电传输特性。计算结果与前人报道的相关实验和理论数据接近。空穴的有效质量m*dos大于电子的。而对于τ和μ,同一个体系在相同温度下,电子的大于空穴的。n-type Be YF3在温度为1300 K时,ZT最大值可达4.76;p-type Be Al F3在温度为800 K时,ZT最大值为1.52。冷端温度为300 K时,n-type Be YF3的最大热电转化效率可达48%。因此Be MF3（M=Al,Y）有希望成为一种热电性能优异的功能型热电材料。3.研究了Ag MF3（M=Zn,Cd）的热电特性。电子结构计算结果分析表明它们都是间接带隙的半导体。在计算晶格热导率和输运系数的基础上,建立了ZT值与温度和载流子浓度的关系。结果显示在温度为1200 K时,p-type Ag Cd F3的ZT值在载流子浓度为2.1×1020cm-3达到5.09;p-type Ag Zn F3的ZT值在载流子浓度为9.3×1020cm-3达到2.56。说明Ag MF3（M=Zn,Cd）是一种潜在的高温热电材料。
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