【摘 要】
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工业中化石燃料产生的大部分能量以废热的形式流失。因此,需要尽可能多地回收废弃能源。热电材料可以将热能直接转换为电能,其转换效率与ZT值直接相关,ZT值越大,热电转换效率越高。然而,当前所发现的一些热电材料的转换效率较低。研究表明,通常具有8或18个价电子的half-Heusler化合物为半导体相,具有良好的热电性能。因此,进一步开发具有高ZT值的热电材料迫在眉睫。本文采用第一性原理计算和半经典的玻
【基金项目】
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国家自然科学基金（61671199）；
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工业中化石燃料产生的大部分能量以废热的形式流失。因此,需要尽可能多地回收废弃能源。热电材料可以将热能直接转换为电能,其转换效率与ZT值直接相关,ZT值越大,热电转换效率越高。然而,当前所发现的一些热电材料的转换效率较低。研究表明,通常具有8或18个价电子的half-Heusler化合物为半导体相,具有良好的热电性能。因此,进一步开发具有高ZT值的热电材料迫在眉睫。本文采用第一性原理计算和半经典的玻尔兹曼输运理论预测了几种half-Heusler化合物,并重点研究了其热电输运特性。首先,应用第一性原理方法计算了NbXGe（X=Rh,Ir）的电子性质和热电输运特性,并比较了施加应变前后,其热电输运特性的变化。对Nb Rh Ge和NbIrGe分别施加0%～-6%、0～6%应变后均保持了其半导体特性,且热电输运特性得到了显著提升。室温下,载流子浓度为2.75×1018 cm-3时,对Nb Rh Ge施加6%的压缩应变,其ZT值为0.87,比未施加应变时提高了0.46。当载流子浓度为6.55×1019 cm-3,对NbIrGe施加应变6%拉伸应变时,ZT值为0.74,比未施加应变时提高了12%。因此,施加应变可以有效改善热电材料的热电输运特性。其次,为了模拟实验上不可避免的原子占位无序,计算了特殊准随机结构（SQS）下Nb XGe（X=Rh,Ir）的电子结构和热电输运特性,并与前一章固定占位的结果进行了比较。发现采用两种不同结构时,对晶格热导率几乎无影响。室温下SQS的NbIrGe的最大ZT值为1.01,高于固定占位的最大ZT值（0.66）,而SQS的Nb Rh Ge在温度为1250 K时的ZT值为0.83,也高于固定占位的ZT值（0.78）。然后,计算了TaOsSb的电子结构和热电输运特性,并重点研究了用Bi元素50%替换Sb元素对其热电性能的影响。TaOsSb0.5Bi0.5在室温下的晶格热导率为7.78WK-1m-1,远低于TaOsSb(30.04 WK-1m-1)。当温度为1280 K时,Ta0s Sb0.5Bi0.5的最大ZT值为0.60,是TaOsSb的三倍。重金属Bi元素的替换可以提高TaOsSb的热电性能。最后,研究了NbBeSb的电子结构、声子和热电输运特性。在室温下,NaBeSb的晶格热导率为1.32 Wm-1K-1。其空穴的有效质量小于电子的有效质量,因此p型Nb Be Sb有较大的弛豫时间和载流子迁移率。当温度为900 K,载流子浓度为1.13×1016cm-3时,p型Nb Be Sb获得最大ZT值为0.90。
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