Zintl相Eu2ZnSb2热电材料电性能的理论研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:tianjuyy
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热电材料能够将能源品量差的环境热能直接转换成用途广泛的电能,对解决能源衰竭的问题提供了环境友好,效果稳定的解决办法。相对于其他新型清洁能源而言,目前热电材料的能源转换效率相对较低,限制了其广泛的利用前景,因此需要提高热电材料的热电性能。Zintl相Eu2ZnSb2化合物由于晶格中存在大量本征Zn空位,导致其热导率极低,因此获得了较为优异的热电性能,是一种极具潜力的热电材料。在极低的热输运性能的基础上,进行Eu2ZnSb2的第一性原理密度泛函理论计算,分析其电子结构以提高电输运性能,对提高整体热电性能具有重大的意义。但是大量的本征空位缺陷的存在给电子结构理论计算带来巨大的挑战。本文主要研究Eu2ZnSb2晶胞模型构建,不同模型的电子结构和对具有带隙的链结构模型电输运性质的计算研究。针对晶格中Zn位仅占据一半仍然能保持和假想EuZnSb结构原型一致的实验现象,提出了两种Zigzag链结构模型和三种Armchair链结构模型,作为理论计算的Eu2ZnSb2晶胞模型。理想结构中ZnSb层结构为二维蜂巢状平面,可以从ZnSb层中提取两种合适的ZnSb2链:Zigzag链和Armchair链。对于Zn空位短程有序和Zn空位完全无序的模型构建,所需要的晶胞体系庞大,很难通过目前的计算方法有效得到电子结构。因此在规模合适的计算晶胞模型中,仅有Zigzag和Armchair链结构模型符合实验和理论计算的预期。通过第一性原理密度泛函理论计算,对Zigzag链结构模型和Armchair链结构模型的电子结构展开了研究,并得到了正确反映半导体性质的能带结构。经过分析调试后,采用DFT+U和mBJ势结合的计算方法,对体系中Eu元素中存在的强关联f轨道电子进行修正。计算所有的Zigzag链结构模型的电子结构都呈现处金属性,并在费米能级处得到了类似石墨烯中的狄拉克点。所有的Armchair链结构模型的电子结构都具有能带带隙,表现出半导体性。在具有带隙的Armchair链结构模型的基础上,采用半经典玻尔兹曼输运理论计算,分析预测三种Armchair链模型的电输运性质。基于“刚带近似”假设,对照实验测量得的载流子浓度范围,计算不同掺杂水平下Armchair链的输运性质与温度的关系曲线,理论计算得到的变化趋势与实验结果基本一致。在固定温度的条件下,计算电输运性能随化学势变化的关系曲线。理论计算结果预测:在300 K到800 K的温度范围内,三种Armchair链结构模型的n型功率因子将远优于其作为p型热电材料的。
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