【摘 要】
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当前工业的迅猛发展导致了能源消耗和环境污染等亟待解决的问题。1821年发现的塞贝克效应和1834年发现的帕尔贴效应,为人类研究热电转换技术提供了理论依据,热电设备可以将热能和电能进行直接转换。原则上,这些设备可以使用任何热源,包括太阳能和废热。因此,对于材料领域来说,热电材料在可持续节能技术的发展中起着关键作用。本文采用第一性计算原理方法对half-Heusler化合物材料进行了电子结构及热电输运
【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导致了能源消耗和环境污染等亟待解决的问题。1821年发现的塞贝克效应和1834年发现的帕尔贴效应,为人类研究热电转换技术提供了理论依据,热电设备可以将热能和电能进行直接转换。原则上,这些设备可以使用任何热源,包括太阳能和废热。因此,对于材料领域来说,热电材料在可持续节能技术的发展中起着关键作用。本文采用第一性计算原理方法对half-Heusler化合物材料进行了电子结构及热电输运特性计算。首先,计算结果表明ScCoSe的电子结构呈现窄带隙半导体特征。态密度（DOS）在价带顶主要是Co原子的贡献,导带底附近的DOS主要是Sc原子的贡献。热电输运参数随温度的变化结果表明其在本征状态下可以获得0.75的最高ZT值。热电输运参数随化学势的变化表明其为p型掺杂半导体,最高ZT值为0.77。然后,针对half-Heusler化合物MCoSb（M=Ti,Zr,Hf）,我们用Ti,Zr,Hf中的两个元素取代M位,用P元素替换部分Sb元素,获得三种替代后的化合物Ti0.5Zr0.5Co Sb0.5P0.5,Ti0.5Hf0.5Co Sb0.5P0.5,和Zr0.5Hf0.5Co Sb0.5P0.5。我们利用第一性原理结合半经典玻尔兹曼输运方程系统地研究了这三种化合物的电子结构和热电输运性质。与它们的母体化合物MCoSb（M=Ti,Zr,Hf）相比,替代化合物保留了间接带隙半导体的特性。这三种化合物的晶格热导率均低于其相应母体材料的晶格热导率。在载流子浓度为1020cm-3和1021cm-3,温度在900-1500K下三种化合物Ti0.5Zr0.5Co Sb0.5P0.5,Ti0.5Hf0.5Co Sb0.5P0.5,和Zr0.5Hf0.5Co Sb0.5P0.5的ZT值分别为0.86,0.84,0.85,明显高于其相应母体化合物的热电性能值。因此,他们为900-1500K温区的候选热电材料。此外,我们对TaXGa（X=Ni,Pt）的电子结构和热电性能进行了第一性原理研究,然后比较了施加晶格应变与应变前的电子结构和热电输运特性,发现两者在应变后都保持了应变前的半导体特性。TaNiGa的功率因子随着拉伸应变而提高,晶格热导率降低;Ta Pt Ga的功率因子随压缩应变虽然升高但是晶格热导率也上升。在6%的应变下TaNiGa的最大ZT值为0.67,–6%的应变下Ta Pt Ga的最大ZT值为0.80。
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