發(fā)布時(shí)間：2018-03-18 16:30

  本文選題：第一性原理　切入點(diǎn)：二維材料　出處：《西北大學(xué)》2017年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：熱電材料是一種能將電能和熱能相互轉(zhuǎn)換的功能性材料,且具有全固態(tài)、體積小、可靠性高、無噪聲無污染等優(yōu)點(diǎn)。在環(huán)境污染和能源問題日益嚴(yán)重的今天,熱電材料在汽車尾氣廢熱發(fā)電、熱電-光伏復(fù)合太陽能電池等方面的潛在應(yīng)用得到了世界范圍內(nèi)研究者們的廣泛關(guān)注。而如何獲得高性能的熱電材料是推進(jìn)其廣泛應(yīng)用的至關(guān)重要的一環(huán),也是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問題。上世紀(jì)九十年代,Hicks和Dresselhaus提出量子限域效應(yīng)可以有效的增強(qiáng)超晶格體系的熱電性能,為尋找熱電性能較好的低維體系提供了理論支持。隨著本世紀(jì)初石墨烯的成功制備,自支撐二維材料作為低維體系中的新成員,獲得了廣泛的關(guān)注。二維材料中的電子被限制在平面內(nèi)運(yùn)動(dòng),由于量子限域等效應(yīng),有可能比體相材料有著更優(yōu)異的熱電性質(zhì),引發(fā)了理論和實(shí)驗(yàn)工作者的極大研究熱情。同時(shí),材料建模和模擬技術(shù)的成熟以及“材料基因組”框架下高通量計(jì)算理念的發(fā)展,為尋找新型二維熱電材料提供了有力的工具。本文將通過高通量篩選無機(jī)晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)的方法,得到可能的二維材料的晶格結(jié)構(gòu);然后基于第一性原理的高通量計(jì)算,得到并分析二維材料的能帶結(jié)構(gòu)以及應(yīng)力對(duì)能帶結(jié)構(gòu)的調(diào)控作用;最終基于玻爾茲曼輸運(yùn)方程的計(jì)算,虛擬篩選出具有高熱電性能的二維材料。本文首先在無機(jī)晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)(Inorganic Crystal Structure Database,ICSD)中篩選出89種可能剝離成為二維材料的層狀體材料,獲得其對(duì)應(yīng)二維材料的晶格結(jié)構(gòu),并將89種二維材料按空間群分類。然后計(jì)算并對(duì)比了體相及二維相的磁性與能帶結(jié)構(gòu)。從計(jì)算結(jié)果中得知,有22種體相材料具有磁性,在剝離成二維材料后,其中9種材料磁矩大小不變,8種材料的磁矩減小,5種材料的磁矩增大。能帶結(jié)構(gòu)的計(jì)算表明,在由體相剝離為二維材料后,10種材料發(fā)生了間接到直接帶隙轉(zhuǎn)變,6種材料發(fā)生了直接到間接帶隙轉(zhuǎn)變。有13種二維材料在面內(nèi)雙軸應(yīng)力的作用下發(fā)生了帶隙類型的改變,其中8種是在拉伸應(yīng)力下,5種在壓縮應(yīng)力下。最后計(jì)算了帶隙大于零的二維材料的功率因子隨載流子濃度的變化關(guān)系,發(fā)現(xiàn)p型的單層Bi2Te3材料具有最高的功率因子,并且功率因子的值較其體材料提升了約3倍。本文的計(jì)算結(jié)果表明,當(dāng)層狀體相材料剝離成二維材料后,維度的降低會(huì)改變其中一些材料的磁矩和能帶結(jié)構(gòu),進(jìn)而提升二維材料的熱電性能。面內(nèi)雙軸應(yīng)力也可以對(duì)材料的能帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效調(diào)控。本文的結(jié)果對(duì)加深二維材料物理特性的認(rèn)識(shí),設(shè)計(jì)新型二維熱電材料,以及拓展二維材料在半導(dǎo)體納米器件方面的應(yīng)用具有積極的意義。
[Abstract]:Thermoelectric material is a kind of functional material which can convert electric energy and heat energy. It has the advantages of solid state, small volume, high reliability, no noise and no pollution, etc. Nowadays, environmental pollution and energy problems are becoming more and more serious. Thermoelectric materials are used to generate electricity in the waste heat of automobile exhaust, Potential applications such as thermoelectric-photovoltaic composite solar cells have attracted worldwide attention. How to obtain high-performance thermoelectric materials is a crucial part of its wide application. In -10s, Hicks and Dresselhaus proposed that the quantum limiting effect can effectively enhance the thermoelectric properties of superlattices. With the successful preparation of graphene at the beginning of this century, the self-supporting two-dimensional material is regarded as a new member of the low-dimensional system. The electrons in two-dimensional materials are confined to the in-plane motion. Due to the effects of quantum limiting field, it is possible that the two-dimensional materials have better thermoelectric properties than bulk materials. This has aroused great enthusiasm among theoretical and experimental workers. At the same time, the maturation of material modeling and simulation techniques and the development of high-throughput computing concepts within the framework of "material genomes", This paper provides a powerful tool for finding new two-dimensional thermoelectric materials. In this paper, the lattice structure of the possible two-dimensional materials is obtained by high-throughput screening of inorganic crystal structure databases, and then the high-throughput calculations based on first-principles are carried out. The energy band structure of two-dimensional material and the effect of stress on energy band structure are obtained and analyzed. Finally, the calculation of Boltzmann transport equation is carried out. In this paper, 89 kinds of layered materials which may be stripped into two-dimensional materials are selected from the inorganic crystal structure database, Inorganic Crystal Structure Database, and the lattice structure of the corresponding two-dimensional materials is obtained. The magnetic and band structures of the bulk phase and the two-dimensional phase were calculated and compared. From the results of the calculation, 22 kinds of bulk materials were found to have magnetic properties, which were separated into two dimensional materials. The magnetic moment of 9 kinds of materials is invariant and the magnetic moment of 8 kinds of materials is reduced. The calculation of energy band structure shows that the magnetic moment of 5 kinds of materials increases. The direct to indirect band gap transition occurred in 10 kinds of materials, and the band gap types of 13 two dimensional materials changed under the action of in-plane biaxial stress, and the direct to indirect band gap transition occurred in 6 kinds of materials. Eight of them are under tensile stress and five are under compression stress. Finally, the variation of power factor with carrier concentration in two-dimensional materials with band gap greater than zero is calculated. It is found that p-type monolayer Bi2Te3 materials have the highest power factor. And the power factor is about three times higher than that of the bulk material. The calculated results show that the reduction of the dimension will change the magnetic moment and the band structure of some of the materials when the layered materials are stripped into two-dimensional materials. The in-plane biaxial stress can also effectively regulate the energy band structure of the two-dimensional material. The results in this paper can deepen the understanding of the physical properties of the two-dimensional material and design a new two-dimensional thermoelectric material. And expand the application of two-dimensional materials in semiconductor nanodevices has positive significance.
【學(xué)位授予單位】：西北大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TB34

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本文編號(hào)：1630387