本文關(guān)鍵詞：五邊形石墨烯熱電性能的研究

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【摘要】：科學(xué)技術(shù)是當(dāng)今社會發(fā)展和進(jìn)步的源動力,但是在其發(fā)展的同時又出現(xiàn)了很多我們不想面對又不得不面對的問題。隨著科技的發(fā)展,在我們的生活越來越便捷的同時,我們的環(huán)境受到了一些負(fù)面影響�？萍嫉陌l(fā)展伴隨著不可再生能源的消耗,而這些不可再生能源的消耗殆盡除了會增加能源危機外,還對我們賴以生存的環(huán)境造成不堪設(shè)想的影響。為了減輕這些危機,我們必須要開發(fā)出可再生的環(huán)保能源,熱電材料就是可再生環(huán)保能源材料,而提高熱電材料的熱電轉(zhuǎn)換效率和尋找新型高效率的熱電材料也成了材料科學(xué)家們研究的重中之重。近兩年,一種新型的材料,五邊形石墨烯,引起了我們的注意,除了性能穩(wěn)定外,它還具有很優(yōu)秀的熱電潛質(zhì)。我們通常利用材料的熱電優(yōu)值(Figure of merit)ZT來表征材料的熱電性能的好壞,其定義式為:=2/(+),其中S表示的是材料的Seebeck系數(shù)、σ表示材料的電導(dǎo)率、T為環(huán)境的絕對溫度,和分別表示材料中電子的熱導(dǎo)率和晶格的熱導(dǎo)率,并將它們統(tǒng)稱為材料的熱導(dǎo)率。對于不同的材料,其熱電優(yōu)值ZT的值越高也就是說這種材料具有更加優(yōu)異的熱電性能,反之也就表示材料的熱電性能并不是很好。在我們計算的初始部分,使用的是第一性原理和密度泛函理論的方法,通過對常態(tài)下五邊形石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)的計算和分析,最終得知五邊形石墨烯屬于間接帶隙半導(dǎo)體。但是,由于價帶的最高點和次高點之間的能量差值非常的小,而價帶的次高點和導(dǎo)帶的最低點都位于M-Γ路徑上,因此也可以將五邊形石墨烯歸類為直接帶隙半導(dǎo)體,這也就是五邊形石墨烯既具有間接帶隙半導(dǎo)體的一些優(yōu)點又不乏直接帶隙半導(dǎo)體的優(yōu)秀特征的原因。不僅如此,我們還計算了五邊形石墨烯的總態(tài)密度和兩種碳原子的投影態(tài)密度,通過對態(tài)密度曲線的觀察我們發(fā)現(xiàn)在五邊形石墨烯費米能級附近出現(xiàn)了較高的態(tài)密度峰,為了判斷該態(tài)密度峰的來源,我們分別分析了五邊形石墨烯中sp3雜化的C1原子的投影態(tài)密度和sp2雜化的C2原子的投影態(tài)密度,通過分析我們得知這個較高的態(tài)密度峰,主要是由C2原子的Pz軌道電子貢獻(xiàn)的。其次,我們又通過Boltz Tra P軟件包對五邊形石墨烯的熱電性能進(jìn)行計算,發(fā)現(xiàn)五邊形石墨烯是一種p型空穴導(dǎo)電的半導(dǎo)體,并且其具有比相同條件下的石墨烯、石墨炔等材料的Seebeck系數(shù)的峰值高很多的Seebeck系數(shù)峰值,這也就能說明五邊形石墨烯確實具有成為非常優(yōu)秀的熱電材料的潛質(zhì)。之后,我們又計算了施加各種壓強的條件下,五邊形石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)以及態(tài)密度等,發(fā)現(xiàn)加壓對于五邊形石墨烯的性能并沒有產(chǎn)生很明顯的影響。最后,我們又匯總了400 K條件下,對于施加不同壓強的五邊形石墨烯的Seebeck系數(shù)以及五邊形石墨烯電子功率因子與載流子濃度之間的關(guān)系進(jìn)行了計算,發(fā)現(xiàn)施加壓強與否對于五邊形石墨烯的熱電性能并沒有產(chǎn)生明顯的影響。這些加壓的計算也很好的說明了五邊形石墨烯在變化的不同壓強存在的環(huán)境中,仍然具有良好的穩(wěn)定性,從而體現(xiàn)了五邊形石墨烯可以在存在外壓的環(huán)境中,并仍可以作為良好的熱電材料得以使用。
【關(guān)鍵詞】：熱電材料 第一性原理 五邊形石墨烯 BoltzTraP
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O613.71
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 緒論10-20
• 1.1 熱電材料研究背景10-11
• 1.2 熱電學(xué)基本理論11-15
• 1.2.1 塞貝克(Seebeck)效應(yīng)11-12
• 1.2.2 帕爾貼(Peltier)效應(yīng)12-13
• 1.2.3 湯姆遜(Thomson)效應(yīng)13-14
• 1.2.4 Thomson關(guān)聯(lián)14-15
• 1.3 熱電優(yōu)值(Figure of merit)15
• 1.4 熱電材料分類15-20
• 1.4.1 鉍化物及其納米結(jié)構(gòu)16
• 1.4.2 碲化鉛16-17
• 1.4.3 硅化物以及硅-鍺合金17
• 1.4.4 氧化物熱電材料17
• 1.4.5 石墨烯17-18
• 1.4.6 Skutterudite結(jié)構(gòu)和納米Skutterudite結(jié)構(gòu)熱電材料18-19
• 1.4.7 Half-Heusler合金19-20
• 第2章 理論基礎(chǔ)20-28
• 2.1 第一性原理20
• 2.2 密度泛函理論(Density Functional Theory, DFT)20-28
• 2.2.1 Thomas-Fermi模型21
• 2.2.2 Hohenberg-Kohn定理21-22
• 2.2.3 Kohn-Sham方程22-23
• 2.2.4 交換關(guān)聯(lián)泛函23
• 2.2.5 局域密度近似理論(LDA)23-24
• 2.2.6 廣義梯度近似(GGA)24-26
• 2.2.7 贗勢方法(Pseudo-Potential Methods)26-28
• 第3章 五邊形石墨烯(Penta-Graphene)的基本性能的研究28-35
• 3.1 五邊形石墨烯基本介紹28-29
• 3.2 五邊形石墨烯的結(jié)構(gòu)29-32
• 3.3 五邊形石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)32-33
• 3.4 五邊形石墨烯的態(tài)密度33-34
• 3.5 五邊形石墨烯的總電荷密度34-35
• 第4章 五邊形石墨烯熱電性能的研究35-48
• 4.1 BoltzTraP軟件包35
• 4.2 不同溫度下五邊形石墨烯的Seebeck系數(shù)與化學(xué)勢之間的關(guān)系35-37
• 4.3 不同溫度下五邊形石墨烯的Seebeck系數(shù)和載流子濃度之間的關(guān)系37-38
• 4.4 不同溫度下五邊形石墨烯的電子功率因子與載流子濃度之間的關(guān)系38-39
• 4.5 壓強對于五邊形石墨烯熱電性能的影響39-48
• 4.5.1 施加 10 GPa壓強下五邊形石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)40-41
• 4.5.2 施加 10 GPa壓強下五邊形石墨烯的態(tài)密度41-42
• 4.5.3 施加 10 GPa的壓強下五邊形石墨烯的電荷密度42-43
• 4.5.4 施加 10 GPa壓強下五邊形石墨烯Seebeck系數(shù)和載流子的濃度關(guān)系43-44
• 4.5.5 施加 10 GPa壓強下五邊形石墨烯的電子功率因子與載流子濃度之間的關(guān)系44-45
• 4.5.6 施加 10 GPa壓強下五邊形石墨烯Seebeck系數(shù)和化學(xué)勢關(guān)系45-48
• 第5章 結(jié)論48-49
• 參考文獻(xiàn)49-55
• 攻讀碩士學(xué)位期間的科研成果55-56
• 致謝56

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本文編號：827837