基于第一性原理对热电材料BiCuSeO和SnSe的性能研究

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在之前的研究中,热电材料BiCuSeO有望用于573-923 K宽温度范围的热电能源材料中,热电材料SnSe被期待用于半导体芯片、红外光电设备中以及作为锂离子电池的阳极材料等,但在理论研究方面还不完善且目前对其各向异性的热电优值的计算方法不够合理。本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究了硫属层状材料BiCuSeO、SnSe的电子特性,并进一步结合Boltzmann输运理论、晶格动力学理论和线性声子玻尔兹曼方程研究,预测了其P型和N型掺杂情况下各向异性的热电性能(包括Seebeck系数、电导率、功率因子、热导率以及无量纲热电优值ZT),并探讨了它们的输运性能。主要研究内容包括:基于VASP软件,对比分析了LDA、GGA(PBE)和GGA(PBE+HSE06)泛函方法对晶格优化的影响,选取了更符合实验值、预测结果更理想的PBE+HSE06泛函形式的广义梯度近似(GGA)泛函;利用Bolt ZTra P2软件解波尔茨曼输运方程,计算了P型和N型掺杂的BiCuSeO和SnSe晶体各向异性的热电输运参数,包括含弛豫时间参数τ的Seebeck系数、电导率、电子热导率;利用形变势(DP)理论计算了DP常数E1,弹性常数Cii和有效质量m*,结合波尔茨曼输运方程得到弛豫时间τ;使用Sheng BTE软件含有的自洽迭代方法计算声子波尔茨曼方程,对层状材料BiCuSeO、SnSe的本征晶格热导率进行了理论预测。我们研究计算了其声子频率分布、Grüneisen参数、定容热容、德拜温度。研究结果表明:层状晶体BiCuSeO、SnSe的热电性能均具有很强的各向异性。其中,N型SnSe在700 K、载流子浓度为5.31×1019cm-3时沿a轴得到最大热电优值ZT(2.69),而P型的ZT值在700 K、载流子浓度为7.5×1019cm-3时沿b轴获得最大值1.14;N型BiCuSeO在900 K、载流子浓度为5.2×1019cm-3时沿c轴得到最大热电优值ZT(2.315),而P型ZT在900 K、载流子浓度为1.98×1020cm-3时沿c轴到最大值1.23。这项研究从理论上提供了提高BiCuSeO和SnSe热电性能的有效途径,即利用运输特性的各向异性和调控载流子浓度来提高分层材料的热电性能,从而促进相关的实验研究。
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