层状金属硫化物的结构与热电性质的第一性原理研究

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热电材料作为一种清洁的能量转换方式在能源和环境问题突出的今天受到了广泛的关注。目前制约热电材料大规模应用的主要是其热电转换效率不够高,因此如何进一步改善其热电性能成为当前研究的重点。  层状金属硫化物因其自然的超晶格结构而具有较小的热导率,如果能够获得较大的功率因子,则将成为极具潜力的热电材料。基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理我们对β-BaCu2S2的电子结构、晶体结构稳定性、热力学和热电输运性质与 TiS2及其插层金属化合物MxTiS2(M为碱金属和碱土金属Li、Na、K、Mg;过渡金属Cr、Mn、Fe、Ni;贵金属Cu、Ag;部分IVA和VA主族金属元素Sn、Pb、Bi、Sb;x=0.125,0.063,0.031)的电子结构和热电性质及TiS2高压相结构预测展开了研究。  β-BaCu2S2的电子结构计算结果表明,β-BaCu2S2中 Cu2S2的原子层中 Cu-S和Cu-Cu相互作用呈现为反键态,而在整个价带区间Ba-S相互作用始终为成键态,将对β-BaCu2S2的结构稳定性起着至关重要的作用。β-BaCu2S2的计算赛贝克系数值为244μV/K,与实验数据(216μV/K)吻合较好。根据计算的电子能带结构和热电性质参数,我们可以发现β-BaCu2S2的热电输运性质强烈依赖于晶向,表现出明显的各向异性。相对较低的载流子迁移率(特别是在c轴方向),直接导致β-BaCu2S2较低的电导率,这是β-BaCu2S2的ZT值较低的最主要原因。在实验上通过掺杂手段向β-BaCu2S2中引入更多的载流子将是提高其ZT值的一种很有必要的尝试。  采用GGA+U方法,结合玻尔兹曼输运方程,对TiS2和MxTiS2插层化合物体系进行了电子结构和热电性质计算研究。计算结果显示TiS2是带隙为0.57 eV的直接带隙半导体。MxTiS2的能带中费米能级上移至导带底部,变为半金属。TiS2的功率因子在μ=0 eV时很低,当μ绝对值约为0.5 eV时其功率因子达到最大值83×1014 mW·cm-1K-2s-1,这说明 TiS2性能的改善需要较重的掺杂。通过对 MxTiS2能带的分析和热电性质的计算,优化筛选出来最有潜力层间掺杂化合物是 LixTiS2, NaxTiS2,KxTiS2,AgxTiS2,CuxTiS2。对插层金属的浓度对其热电性能影响的研究发现,插入原子的浓度越高对其热电性能越有利,K0.125TiS2在μ=0 eV时其值达到了105×1014 mW·cm-1K-2s-1。  采用先进的从头算进化模拟预测方法,通过施加优化的进化操作参数,对 TiS2的高压稳定结构进行了系统预测。结果表明,当压力升至9.3 GPa时,CdI2型的P-3m1三方相转变为空间群为Immm的正交结构,压力进一步升至41.5 GPa,Immm转变为P-62m六方相,并依次产生9.6%和2.8%的体积收缩。新预测得到的P-62m相为直接半导体,DFT计算能隙约为0.1 eV,并且靠近费米能级处的能带具有轻带重带混合特性,是一极具潜力的热电材料候选体系,其热力学、热电输运性质等方面的研究值得进一步深入研究。
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