三元层状化合物NaCuX(X=S,Se)单层热电性能的理论研究

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目前,由于化石燃料的缺乏而造成的能源危机和使用化石燃料所造成的环境污染是全人类急需解决的问题。热电材料具有直接将废热转化为电能的能力,并且由热电材料制作出的器件在能量转换过程中不需要氟利昂和其他化学流体介质,所以热电材料能为上述能源、环境问题提供一个解决方案。由热电材料制作出的器件具有无噪声、体积小、没有污染、使用寿命长和安全可靠等突出特点,因此热电材料在废热发电和缓解环境污染等领域具有广泛的应用前景。一般地,热电材料的热电转换能力取决于功率因子PF(28)S~2σ,而热电转换效率则是由无量纲的热电优值z T(28)S~2σT∕k来衡量。由此,要想得到高热电转换效率的热电材料,就必须提高该材料的功率因子PF和降低总热导率k(包括电子热导率ke和晶格热导率kl)。但是,在块体材料中,赛贝克系数S与电导率σ和电子热导率ke通过载流子浓度有强相关性,通常表现为相反的趋势。而在低维材料中,因量子限域效应可以使费米能级附近产生尖锐的态密度,有利于提高塞贝克系数,进而有可能提高z T值。除此之外,由于载流子和声子的平均自由程尺度不同,晶格热导率kl是热电优值z T中相对独立的参数。因此,有必要寻找具有高热电性能的二维半导体材料。实验上已合成具有空间群P4/nmm结构的层状三元化合物NaCu(Se,Te)和KAg Se等,其具有五重原子结构的单层、具有适中的直接带隙和较高的载流子运动能力,可望在纳米电子和光电子领域得到应用。同时,能带结构计算表明,它们的直接带隙在1 e V左右,更重要的是其价带存在简并,有成为新类热电材料的潜力。本论文基于密度泛函理论的第一性原理和玻尔兹曼输运理论,扩展研究了二维三元化合物NaCuX(X=S,Se)单层的几何结构、能带结构、电输运参数和声子输运参数,进而得到NaCuX(X=S,Se)单层的热电性能。研究发现,二维三元化合物NaCuS和NaCuSe的晶格常数分别为3.84和4.02?,有效厚度分别为10.12和10.13?。NaCuX单层的声子色散中没有虚频,表明NaCuX是动力学稳定的。通过采用PBE和HSE06泛函分别计算NaCuX的能带结构,发现NaCuX都是直接带隙半导体,导带底和价带顶都在高对称点Γ点,除此之外,NaCuX的价带都有简并,存在轻、重空穴共存的现象。PBE计算NaCuS和NaCuSe的带隙分别为0.35和0.33 e V,HSE06计算的带隙分别为1.28和1.30 e V。通过研究NaCuX的电输运性质发现,当温度在300到700 K的范围内,n型的NaCuS和NaCuSe对应的功率因子最大值(PFmax)范围分别是8.56到7.02和4.48到3.40 m W m-1 K-2,而p型的NaCuS和NaCuSe对应的PFmax值范围分别是8.90到8.06和7.45到6.41 m W m-1 K-2。由此可得,NaCuS的热电转换能力是优于NaCuSe的。然后,通过声子输运计算,研究了NaCuX的热输运性质,当温度在300到700 K的范围内,NaCuS和NaCuSe单层的晶格热导率kl的值分别在0.80到0.34和0.78到0.33 W m-1 K-1的范围内。最后,当温度在300到700 K的范围内,n型的NaCuS和NaCuSe对应的z T值范围分别是1.85到4.16和1.23到2.86;p型的NaCuS和NaCuSe对应的z T值范围分别是2.02到4.50和1.79到4.13。本文的计算研究表明,二维三元化合物NaCuX(X=S,Se)单层是直接带隙半导体,其价带具有二重简并,且具有超低的晶格热导率。这使NaCuX单层拥有较高热电优值。与NaCuSe相比,NaCuS的热电优值更高,并且p型的两种材料的热电优值高于n型。这些发现表明NaCuX(X=S,Se)单层是很有前景的p型二维热电材料。
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