本文關(guān)鍵詞：Zn-Sb合金體系電子結(jié)構(gòu)及熱電性能研究

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【摘要】：Zn-Sb合金熱電性能優(yōu)越、無毒,是一種應(yīng)用前景廣泛的熱電材料。人們通過實驗對其從制備到熱電性能分析等進行了大量的研究。但理論分析并不全面,熱電性能的主要影響因素尚不明確,欠缺理論方面的系統(tǒng)研究。采用基于密度泛函理論的第一性原理計算對Zn-Sb合金體系(包括Zn Sb,Zn4Sb3)的電子結(jié)構(gòu)進行了研究,計算了材料的電子結(jié)構(gòu)、輸運特性以及熱電性能。首先利用WIEN2k軟件包對晶體結(jié)構(gòu)進行自洽計算,得到能帶,態(tài)密度,電荷密度等。然后利用基于玻爾茲曼理論的Boltz Tra P代碼對材料的輸運及熱電性能進行計算,獲得塞貝克系數(shù)曲線,熱導(dǎo)率弛豫時間比曲線,電導(dǎo)率弛豫時間比曲線以及熱電優(yōu)值曲線。計算結(jié)果顯示,Zn Sb為間接帶隙半導(dǎo)體,價帶頂與導(dǎo)帶底的位置分別偏離X點和Z點,禁帶寬度約為0.35e V,接近實驗值0.5e V。體系中Zn原子與Sb原子構(gòu)成不規(guī)則菱形鏈狀結(jié)構(gòu),原子間成鍵方式為離子鍵與共價鍵共同作用。隨著溫度的升高,Seebeck系數(shù)在不同摻雜濃度下先增大后減小。當載流子濃度為1019cm-3時,Seebeck系數(shù)在400K時取得最大值約為196μV/K,與實驗值200μV/K非常接近。熱電優(yōu)值隨著載流子濃度的升高先增大后減小,變化趨勢符合實驗測定,在載流子濃度為1019cm-3時,熱電優(yōu)值在300K時取得最大值,約為0.72。計算了四種最有可能的β-Zn4Sb3結(jié)構(gòu)(全占據(jù)模型、Mayer模型、空位模型和間隙Zn原子模型)的電子結(jié)構(gòu)及熱電特性。表明,由于原子占有幾率不同,四種β-Zn4Sb3結(jié)構(gòu)的原子比并不是嚴格的整數(shù)比,Mayer模型和間隙Zn原子模型更接近實際參數(shù),而且后者的密度值與實際參數(shù)更吻合。四種結(jié)構(gòu)的能帶在價帶頂處均出現(xiàn)了少量雜質(zhì)能級,這種質(zhì)雜能級主要由Zn原子的p態(tài)軌道電子和Sb原子的p態(tài)軌道電子雜化而成的,而雜質(zhì)能級的高低主要取決于Zn原子p態(tài)軌道電子的變化。四種結(jié)構(gòu)的態(tài)密度在價帶頂處分布比較均勻,只出現(xiàn)了不太尖銳的小峰,這說明此電子的非局域化性質(zhì)比較強,原子軌道擴展較強,載流子有效質(zhì)量較小,材料表現(xiàn)出相對良好的導(dǎo)電性能。價帶頂附近表現(xiàn)出來的局域性主要來源于Sb原子的p態(tài)軌道電子對態(tài)密度的貢獻。從Seebeck系數(shù)的計算上看,全占據(jù)模型與實驗值相差較大,Mayer模型以及間隙Zn原子模型與實驗值相差較小,而間隙Zn原子模型的Seebeck系數(shù)更大。從熱導(dǎo)率及電導(dǎo)率的計算上來看,在相同溫度下,間隙Zn原子模型具有最低的熱導(dǎo)率和相對較高的電導(dǎo)率,表現(xiàn)出強于其它三種結(jié)構(gòu)的熱電及輸運特性,是最接近實驗值的結(jié)構(gòu)。從熱電優(yōu)值來看,四種結(jié)構(gòu)的最大值都接近實驗值,但從整體變化趨勢來看Mayer模型和間隙Zn模型與實驗值更吻合。
【關(guān)鍵詞】：熱電材料 Zn-Sb合金 第一性原理 電子結(jié)構(gòu) 熱電性能
【學(xué)位授予單位】：河北大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TG146.13
【目錄】：

• 摘要5-7
• abstract7-11
• 第1章 緒論11-19
• 1.1 熱電材料的研究現(xiàn)狀11-14
• 1.2 Zn-Sb合金體系熱電材料的研究進展14-18
• 1.2.1 ZnSb的研究現(xiàn)狀15-16
• 1.2.2 Zn_4Sb_3的研究現(xiàn)狀16-18
• 1.3 本文工作18-19
• 第2章 理論基礎(chǔ)與計算方法19-26
• 2.1 密度泛函理論（DFT）19-22
• 2.1.1 絕熱近似19-20
• 2.1.2 Hohenberg-Kohn定理20
• 2.1.3 Kohn-Sham方程20-22
• 2.1.4 交換關(guān)聯(lián)能22
• 2.2 玻爾茲曼理論22-23
• 2.3 WIEN2k軟件23-24
• 2.4 BoltzTraP軟件包24-26
• 第3章 ZnSb材料的電子結(jié)構(gòu)及熱電性能分析26-35
• 3.1 ZnSb材料的晶體結(jié)構(gòu)26
• 3.2 性能計算參數(shù)設(shè)置26-27
• 3.3 計算結(jié)果分析與討論27-33
• 3.3.1 電子結(jié)構(gòu)27-30
• 3.3.2 輸運與熱電特性30-33
• 3.4 本章小結(jié)33-35
• 第4章 Zn_4Sb_3結(jié)構(gòu)的熱電性能研究35-45
• 4.1 Zn_4Sb_3的晶體結(jié)構(gòu)35-37
• 4.2 理論計算結(jié)果分析37-44
• 4.3 本章小結(jié)44-45
• 第5章 總結(jié)45-47
• 參考文獻47-50
• 致謝50-51
• 攻讀碩士期間取得的科研成果51

【參考文獻】

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本文編號：555041