【摘 要】
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氧化锌（ZnO）是重要的Ⅱ-Ⅵ族直接宽禁带系半导体材料,具有良好的电学性能、高温稳定性及抗氧化性,并且还具有资源丰富、无污染、易掺杂等特点,因此ZnO基热电材料得到广泛关注。但是ZnO基热电材料仍不能被广泛应用,是由于目前该热电材料的最高热电优值（ZT）仅为0.65,距离目前商业应用要求（ZT>1.0）还相差甚远。一个重要原因就是目前人们对元素掺杂造成的电子结构与热电性能之间的微观影响机理并不明确
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氧化锌（ZnO）是重要的Ⅱ-Ⅵ族直接宽禁带系半导体材料,具有良好的电学性能、高温稳定性及抗氧化性,并且还具有资源丰富、无污染、易掺杂等特点,因此ZnO基热电材料得到广泛关注。但是ZnO基热电材料仍不能被广泛应用,是由于目前该热电材料的最高热电优值（ZT）仅为0.65,距离目前商业应用要求（ZT>1.0）还相差甚远。一个重要原因就是目前人们对元素掺杂造成的电子结构与热电性能之间的微观影响机理并不明确。本论文采用第一性原理与Boltzmann输运理论相结合的方法,通过揭示Au、Al等元素影响ZnO基材料电子结构的规律,以探索其与Seebeck系数（S）和电导率（σ）之间的关系,达到提高ZnO热电性能的目的。本文利用 VASP（Vienna Ab-initio Simulation Package）软件和 BoltzTraP 软件研究了缺陷类型、掺杂浓度等对ZnO基材料的晶体结构、电子结构以及热电性能的影响。对于Au掺杂ZnO,研究了 Au掺杂位置（包括Au间隙位和Au替Zn位）以及Au掺杂浓度（0%、2.778%、4.167%、6.125%）对ZnO电子结构及热电性能的影响。对于Al掺杂ZnO结构（ZnO:Al）,研究了缺陷类型,包括氧空位和锌间隙,以及Al掺杂浓度（0%、2.778%、4.167%、6.125%）对ZnO:Al的热电性能的影响。最后研究了不同Au、Al共掺杂比例（1:1、1:2、2:1）对ZnO电子结构及热电性能的影响。对于Au掺杂ZnO的研究,结果表明Au以间隙原子存在时ZnO是n型材料,Au以替Zn原子存在时ZnO呈p型导电性,并且Au替Zn位（Auzn）掺杂更容易形成。当Auzn掺杂浓度为2.778%时,空穴有效质量最大。在960 K时S达到117.319 μV·K-1,功率因子（P）在645 K时达到最大值268.634 μW·m-1·K-2。对于Al掺杂ZnO的研究,结果表明VO是ZnO:Al成为n型材料的主要原因,能带为间接带隙,态密度增加,是其S增大的根本原因,P在300K时为219.931 μW·m-1·K-2,比无缺陷时的ZnO Al提高了 2.3倍。另外,Al最佳掺杂浓度为2.778%,室温下P为257.309μW·m-1·K-2,ZnO:Al具有最优的热电性能。对于Au、Al共掺杂ZnO的研究,研究结果表明ZnO基热电材料的导电特性取决于施主元素与受主元素的相对含量。Au与Al元素以1:1比例掺杂时,材料的带隙增大,无任何激发情况下空穴与电子维持相对平衡。Au与Al最佳元素掺杂比是2:1,此时材料呈p型导电性,在室温时P为1.431×10-3 W·m-1·K-2,且电子热导率最低。
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