SnTe热电性质的第一性原理研究

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据统计的数据显示:全世界60%的能源被浪费,其中大部分为废热。热电材料能够直接实现热能和电能相互转换,受到了政府和研究机构的青睐。然而,热电器件的转换效率没法与卡诺循环相比。因此,我们需要积极地开发新型热电材料。SnTe具有与PbTe相同岩盐晶体结构和相似多价带的特性。但是SnTe由于其本身较小的Seebeck系数和高p型载流子密度(1021(88)-3)引起的高热导率而表现出低ZT值。目前,人们主要是通过固溶掺杂来调控它本身较高的载流子浓度,或者共振能级的方法来提高它的Seebeck系数。自从2014年,赵立东等人发现类黑磷层状结构的SnSe单晶(Pnma相)具有超低热导率,且在923 K时热电优值达到2.6后,具有层状结构的热电材料成为热电领域的热门研究对象。具有类黑磷层状结构的IV-VI族二维化合物,在热电输运和声子输运方面都取得了不错的研究成果,(如二维SnSe的ZT为2.63(armchair方向),2.46(zigzag方向))。在高压下SnTe呈现与SnSe类似的层状结构,其二维SnTe已在常温常压实验环境下被成功制备。本文基于密度泛函理论和玻尔兹曼输运理论对SnTe层状结构的电子结构,热电性能进行研究;并计算(Mn,Ge)共掺SnTe(岩盐结构)的能带结构,预测其电输运性能。主要结论如下:1、利用第一性原理计算和半经典的玻尔兹曼输运方程计算单层SnTe的晶体结构、电子性质、电输运性质以及声子输运性质。我们通过计算单层SnTe声子色散谱,证明我们优化后的单层SnTe结构在热动力学上是稳定的。通过研究单层SnTe的电子结构,我们发现单层SnTe是一种带隙为0.88 eV的半导体。且单层SnTe的能带结构比较特殊,这种特殊的能带形状包括一个扁平的部分,在顶部或底部出现一些褶皱,同时当它急剧弯曲成一个高度弥散的部分,从而产生多个费米表面。这可能导致单层SnTe具有较大的Seebeck系数和迁移率。通过计算其电输运发现:在900 K且载流子浓度为1×1019(88)-3时,zigzag方向和armchair方向都达到最大Seebeck系数,zigzag方向为390(1-1(p型掺杂),253(1-1(n型掺杂);armchair方向为418(1-1(p型掺杂),290(1-1(n型掺杂)。通过计算单层SnTe的声子输运发现:其具有超低的本征晶格热导率:室温附近的晶格热导率为1.13(28)-1-1(armchair),1.19(28)-1-1(zigzag);900 K时的晶格热导率为0.38(28)-1-1(armchair),0.40(28)-1-1(zigzag)。载流子浓度为1.25×1019(88)-3时,zigzag方向最大ZT值为0.734(p型掺杂)。载流子浓度为1×1019(88)-3时,armchair方向上最优ZT值为0.76(n型掺杂)。2、利用第一性原理计算和半经典的玻尔兹曼输运方程计算1到6层SnTe的电子性质和热电输运性质。我们发现由于少层SnTe的量子阱效应,随着层数的增加,其能带带隙呈减小趋势。与磷烯类似的是,1层到6层带隙减小了0.4 eV。通过研究1-6层SnTe的热电输运性质发现:300 K时,armchair和zigzag方向上,3层SnTe为最优ZT值(n型掺杂)层厚,此时ZT值分别为0.32(0.76×1020(88)-3),0.4(0.85×1020(88)-3)。700 K时,armchair和zigzag方向上,3层SnTe为最优ZT值(n型掺杂)层厚,此时ZT值分别为0.73(0.83×1020(88)-3),0.74(0.83×1020(88)-3)。可知,在整个温度区间,3层SnTe(最优层厚)的ZT值表现为zigzag方向高于armchair方向,且n型掺杂要优于p型掺杂。同时,和单层SnTe比,少层SnTe的各向异性程度增加。也就是层厚增强了各向异性。对比3层SnTe和单层SnTe的ZT值发现:上述三个温度时,层厚都大幅度增大了二维SnTe的ZT值。3、使用基于密度泛函理论的第一性原理理论计算SnTe岩盐晶体结构的能带结构发现:与单独掺杂Mn体系(Sn27-xMnxTe27)相比,(Mn,Ge)共掺体系(Sn22-xMnxGe5Te27)进一步扩大了带隙并引起了能带收敛(主要表现在在价带),从而可能导致Seebeck系数显著增加。
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