【摘 要】
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当前工业的迅猛发展,使得能源消耗和环境污染问题日渐严峻。而我们所研究的热电材料是一种可以将热能和电能进行转化的优良材料,对于节约能源和环境保护具有相当大的意义,所以寻求新型高效热电材料变得尤为重要。我们的计算基于第一性原理,结合半经典玻耳兹曼输运理论对准随机结构的Half-Heusler合金及低维热电材料的热电性能进行了计算研究。首先,我们计算了准随机结构的Half-Heusler合金Ti Fe0
【基金项目】
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国家自然科学基金61671199；
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当前工业的迅猛发展,使得能源消耗和环境污染问题日渐严峻。而我们所研究的热电材料是一种可以将热能和电能进行转化的优良材料,对于节约能源和环境保护具有相当大的意义,所以寻求新型高效热电材料变得尤为重要。我们的计算基于第一性原理,结合半经典玻耳兹曼输运理论对准随机结构的Half-Heusler合金及低维热电材料的热电性能进行了计算研究。首先,我们计算了准随机结构的Half-Heusler合金Ti Fe0.5Ni0.5Sb的电子结构和热电性能。结果表明该化合物属于带隙为0.45 e V的非磁性间接带隙半导体。声子谱无虚频显示出该合金动力学稳定。在室温下,晶格热导率为11.24 WK-1m-1,弛豫时间为2×10-12s。300 K时,电子掺杂下功率因子的峰值为11.14(1014μWcm-1K-2s-1),而空穴掺杂为16.36(1014μWcm-1K-2s-1),表明该化合物p型掺杂优于n型掺杂。当温度达到1460 K且最佳掺杂浓度为3×1021 cm-3时,p型Ti Fe0.5Ni0.5Sb的ZT值为0.41。此外,我们计算了准随机结构的Half-Heusler合金Ta0.5Ti0.5Fe Sb的电子结构和热电性能。结果表明该化合物属于半金属,因为它的自旋向上带属于带隙为0.97e V的直接带隙半导体,而自旋向下带属于金属。室温下弛豫时间为6.21×10-12s,晶格热导率为6.34Wm-1K-1。本征状态下的ZT值在1180K时达到最大值0.75。通过化学势正负两侧对比可以看出p型掺杂优于n型掺杂。Ta0.5Ti0.5Fe Sb在化学势为-0.32e V温度为1200K时计算出的ZT值的最大值为0.78。最后,我们探索了二维材料WSe2的热电输运特性。在未施加应变时,WSe2属于带隙为1.50e V的间接带隙半导体。在施加2%、4%和6%的拉伸应变时,WSe2的带隙由间接带隙变为了直接带隙,分别为1.31e V、1.19e V和1.07e V。而在施加-2%、-4%和-6%的压缩应变时,WSe2仍然为间接带隙半导体,带隙分别为1.55e V、1.64e V和1.51e V。声子谱在施加应变前后均无虚频,说明该材料动力学性质依然稳定。在室温下,晶格热导率在2%、4%、6%的拉伸应变下分别为23.33 WK-1m-1、16.86 WK-1m-1、9.50 WK-1m-1;在-2%、-4%、-6%的压缩应变下分别为31.85 WK-1m-1、39.70 WK-1m-1、41.22 WK-1m-1。均比未施加应变时的晶格热导率低(WSe2的晶格热导率在300K未施加应变下为50.08 WK-1m-1)。WSe2的热电优值在2%、4%和6%的拉伸应变下的最大值分别为0.74（1180K）、0.56（250K）、0.34（1200K）,在-2%、-4%和-6%的压缩应变的最大值分别为0.76（700K）、0.80（430K）、0.74（830K）。而在未施加应变时,WSe2的热电优值的最大值为0.73（1020K）。
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