热电材料硫族化合物的第一性原理研究

• 作 者: 潘燕
• 出 处: 电子科技大学
• 发表日期: 2020年08期
• 关键词: 热电材料 第一性原理计算 三维SnS 单层AuSe 掺杂

国家统计局的最新数据表明,原煤等不可再生能源仍然是我国的主要能源。这些不可再生能源所释放出来的污染物会造成严重的大气污染,影响人们的身体健康,因此我们需要加速开发可再生清洁能源,热电材料就是其中的一种,它可以直接实现电能和热能之间的相互转换。此外,由于我国超算技术逐渐位列国际领先水平,研究者越来越热衷于通过理论计算来寻找新材料,同时预测材料的最优性能。大量研究结果表明,层状硫族化合物通常存在较低的晶格热导率和优异的电输运性能。因此本文利用基于密度泛函理论和半经典玻尔兹曼输运理论的第一性原理计算研究了三维层状SnS和单层AuSe的热电性能。低温Pnma相SnS是禁带宽度为0.878 eV的间接带隙半导体,其电输运和热输运均具有明显的各向异性。计算结果显示当温度为750 K时,P型和N型SnS在a、b、c三个方向的ZT_max均是沿着a方向的值最大,大小分别为2.21和3.13。但是目前实验上P型和N型SnS的ZT_max均低于理论值,这是因为SnS中的Sn空位使其载流子浓度偏低,而通常情况下我们采用元素掺杂来提升载流子浓度。因此,我们利用K、Ca、Ga、Ge、As、Se、Br以2.7%的浓度替换掺杂Sn₃₆S₃₆,通过电子性质分别判断它们对SnS电输运性能的影响。结果表明,K和Ga分别替换Sn之后的P型Sn₃₅KS₃₆和Sn₃₅GaS₃₆、以及As替换S之后的P型Sn₃₆S₃₅As的电输运性能相对于P型纯相SnS会有提升;而As替换Sn之后的N型Sn₃₅AsS₃₆和Br替换S之后的N型Sn₃₆S₃₅Br的电输运性能相对于N型纯相SnS会有提升。如果实验上可以达到或接近理论上的ZT_max,那么由经济且环保的SnS制备而成的p-n结热电器件将大有利于低功耗制冷器及无源器件供电等的发展。单层AuSe在本文是第一次作为热电材料,它是带隙为1.75 eV的间接带隙半导体。分子动力学结果表明其在1200 K时具有良好的热稳定性,声子谱结果证明了它的动力学稳定性。P型和N型单层AuSe的电输运和热输运性能均存在各向异性,其晶格热导率在单层热电材料中处于中等水平,但高于常见的体相热电材料。一般来说它不太适合用做热电材料,但是1200 K时,P型单层AuSe在a方向的ZT_max为1.46,N型单层AuSe在b方向的ZT_max为1.75。说明单层AuSe可以用作一些极端环境下的高温热电材料,该研究同时告诉我们,高晶格热导率的材料同样可能用在热电材料领域。