【摘 要】
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热电材料可以实现热能和电能之间的直接转换,可以应用在温度测量、废热回收、半导体制冷等方面。热电材料的性能由无量纲热电优值ZT值（ZT=（?）T）来表征。其中,电学性能用功率因数PF=S2σ来描述,优异的电学性能需要大的态密度有效质量和高的载流子迁移率。能带有效质量和能带简并度共同决定态密度有效质量,然而,能带有效质量与载流子迁移率相互耦合。大的能带有效质量会导致低的载流子迁移率,却不影响能带简并度
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热电材料可以实现热能和电能之间的直接转换,可以应用在温度测量、废热回收、半导体制冷等方面。热电材料的性能由无量纲热电优值ZT值（ZT=（?）T）来表征。其中,电学性能用功率因数PF=S2σ来描述,优异的电学性能需要大的态密度有效质量和高的载流子迁移率。能带有效质量和能带简并度共同决定态密度有效质量,然而,能带有效质量与载流子迁移率相互耦合。大的能带有效质量会导致低的载流子迁移率,却不影响能带简并度。因此调节能带简并度可以提高态密度有效质量,而不影响载流子迁移率,成为一种备受关注的优化性能策略。面心立方结构的Cu0.5In0.5Cr2Se4具有高能谷简并度;同时,经过初步的理论计算表明其价带顶具有高轨道简并度,因而具有高能带简并度,是一种潜在的热电材料。目前,关于Cu0.5In0.5Cr2Se4热电性质的研究较少,Cu0.5In0.5Cr2Se4的输运机制有待进一步理解。本文对Cu0.5In0.5Cr2Se4的热电性质和输运机制进行了理论和实验两方面的研究。首先,基于第一性原理计算,研究了Cu0.5In0.5Cr2Se4的输运机制。Cu0.5In0.5Cr2Se4是间接带隙半导体,价带顶位于K点,导带底位于Γ点。K点处价带顶是四重轨道简并;Γ点处价带顶是六重轨道简并。同时,Cu0.5In0.5Cr2Se4是面心立方晶体结构,具有高能谷简并度。因而,Cu0.5In0.5Cr2Se4具有高能带简并度,是一种潜在的热电材料。然而,由于Cu0.5In0.5Cr2Se4价带顶的能带有效质量大和价带顶附近的电子态主要分布在Cr原子周围,载流子迁移率低,表现出电子局域化,抑制了材料的热电性能。Ag等价替代Cu后,K点处和Γ点处的价带顶的多重轨道简并分离,轨道简并度减小;Cr原子周围电子态的分布呈现各向异性,难以形成有效的导电通道,抑制载流子的迁移,依旧表现出电子局域化。其次,实验方面,研究了纯Cu0.5In0.5Cr2Se4的热电性能和输运机制。在中低温度区间,电阻率随温度的升高而减小,表现出半导体导电行为;Seebeck系数随温度的升高而增大,表现出类金属导电行为。随着温度的升高,电子获得能量定程跃迁进入局域态,迁移率边以下的扩展态中空穴浓度增大。Cu0.5In0.5Cr2Se4的电学输运遵循安德森定程跃迁的局域化理论。Cu0.5In0.5Cr2Se4的热导率主要由晶格热导率贡献,声子U过程散射占主导地位,晶格热导率随温度的升高而减小。样品的ZT值随温度的升高而增大,在773K时达到最大值～0.31。最后,由于电子局域化输运行为抑制热电材料的性能,半导体Cu0.5In0.5Cr2Se4可以通过掺杂调节其能带结构和热电性质。因此,研究了掺杂的Cu0.5In0.5Cr2Se4的热电性能。In位掺杂微量Zn原子后,样品的空穴浓度轻微减小,Seebeck系数增大,载流子迁移率大幅度增大,电阻率大幅度减小,即实现了电子的退局域化;随着Zn掺杂量的增多,样品的空穴浓度增大,电阻率减小,Seebeck系数减小。样品的电阻率随温度的变化趋势与纯Cu0.5In0.5Cr2Se4相反,随温度升高单调递增,Seebeck系数随温度的升高单调增大,电阻率和Seebeck系数的导电行为均为简并半导体导电行为。掺杂Zn（x=0.035）的样品773K时获得最大ZT值～0.40,相比于纯Cu0.5In0.5Cr2Se4提高了约30%。Cu位上Ag等价替代后,其电阻率不变或者增大的,Seebeck系数增大。整体上,Cu0.5-xAgxIn0.5Cr2Se4（x=0.005,0.015,0.025）三个样品的电阻率和Seebeck系数随温度的变化趋势与纯Cu0.5In0.5Cr2Se4几乎相近,即依旧表现出电子局域化。
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