【摘 要】
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当今我国乃至全球能源危机的形势十分严峻,传统的化石能源不仅难以满足人们的需求而且还会伴随着严重的环境污染,因此我们需要发展可再生的清洁能源。热电材料因其能够实现电能与热能的转换,吸引了人们广泛的关注与研究。通常,我们用一个无量纲的参数ZT(28)S 2?T/?来衡量热电材料的能量转换效率,也称之为热电优值。其中,T、S、σ和κ分别表示绝对温度、材料的塞贝克系数、电导率和热导率(包括电子热导率和晶格
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当今我国乃至全球能源危机的形势十分严峻,传统的化石能源不仅难以满足人们的需求而且还会伴随着严重的环境污染,因此我们需要发展可再生的清洁能源。热电材料因其能够实现电能与热能的转换,吸引了人们广泛的关注与研究。通常,我们用一个无量纲的参数ZT(28)S 2?T/?来衡量热电材料的能量转换效率,也称之为热电优值。其中,T、S、σ和κ分别表示绝对温度、材料的塞贝克系数、电导率和热导率(包括电子热导率和晶格热导率),ZT值越大表示该材料的热电性能越好。但是,材料的塞贝克系数、电导率和电子热导率之间相互耦合,并且它们还与体系的载流子浓度相关,因此我们很难大幅提高材料的ZT值。最近的研究发现,铟硒化合物中的In2Se3是带隙适中的半导体,并且具有独特的层状结构,预示其具有较低的晶格热导率和潜在的热电性能。本文利用第一性原理研究了两种块体α-In2Se3化合物(2H相和3R相)及其五原子层单元的晶体结构、电子特性、声子特性和热电性能。我们结合第一性原理和玻尔兹曼输运理论研究了2H-α-In2Se3的热电输运特性。计算表明,该体系具有1.12 e V的间接带隙。导带底附近的能带高度简并且具有较大的色散,这使得其n型体系具有较高的功率因子。由于体系中存在多种不同的化学键增强了声子的散射,因此其晶格热导率较低。由于层间存在范德华相互作用,这使得沿该方向的晶格热导率更低。我们发现,n型2H-α-In2Se3在550 K时,沿x方向和z方向上的ZT值分别能达到0.9和1.8。我们考察了3R-α-In2Se3的晶体结构和热电性能。计算发现,3R-α-In2Se3是具有1.07 e V间接带隙的半导体。通过对比,我们发现该体系与2H-α-In2Se3具有类似的层状结构,特别是它们的结构单元完全相同。然而,更紧密的原子堆垛方式使得3R-α-In2Se3的层间距离变得更小,进一步降低了该体系z方向上的晶格热导率。因此,3R-α-In2Se3沿z方向的热电性能十分优异,在550 K时n型和p型体系分别能够实现3.0和2.0的热电优值。此外,我们还计算了α-In2Se3的Se-In-Se-In-Se五原子层结构的电子、声子和热电性能。与块体α-In2Se3相比,α-In2Se3五原子层单元具有更大的带隙值(1.40 e V)。偏大的带隙值尽管带来了较大的塞贝克系数,但其电导率也处于较低水平,因此该体系的功率因子并不突出。相较于块体α-In2Se3,五原子层单元沿x方向上的热电性能并未有明显改善。值得注意的是,体系的晶格热导率仍保持在较低的水平,我们期望能够通过掺杂或应变使其发生能带汇聚,从而提升其热电性能。
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