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能源是人类活动的物质基础,为国家的经济发展、人们的日常生活和社会的稳定提供了重要保障。目前,煤炭、石油、天然气等化石能源仍然是能源的主要来源。化石能源具有不可再生、分布不均衡等特点,经济的高速发展离不开能源连续不断的供应,所以,对能源的争夺已经成为各国之间竞争的重要目标。另外,化石能源的大量使用会产生各种有害气体、固体废物及废热,对环境造成严重的污染,温室效应加剧,因此,新能源的开发和新型能源转化材料的研究成为各国科学家关注的热点。热电材料是一种将热能和电能相互转换的新型能源材料,能有效的利用大量汽车尾气、工业废热、地热进行发电以及实现无机械制冷等,并且热电材料具有无噪声、无污染、体积小、反应快等优点。因此,热电材料是一种有着广泛应用前景的材料,在环境污染和能源危机日益严重的今天,进行新型热电材料的研究具有很强的现实意义。 热电材料可以实现热能和电能的相互转化,并且无污染、无机械传动部分。因此,在过去的几十年里,利用热电转换装置进行废热回收引起了人们极大的兴趣。材料的热电性能用无量纲的ZT值来表示,ZT=S2σT/(ke+kl)。其中,σ表示电导率,S表示塞贝克系数,T表示绝对温度,ke表示电子热导率,kl表示晶格热导率。因此,一种好的热电材料应该具有大的塞贝克系数,高的电导率和低的热导率。Zintl相化合物由带正电的阳离子和带负电的阴离子团组成,在形成过程中电子从阳离子转移到阴离子,形成离子键,阴离子之间为了满足价态平衡,进而形成共价键。近些年,它们成为非常有潜力的热电材料。这可以通过已经合成的几种Zintl相化合物加以证明,例如Ca5Al2Sb6、Yb14AlSb11和Sr3AlSb3。在 Zintl相化合物中,离子键和共价键共存会导致复杂的晶格结构,并且拥有大的晶胞,有利于获得较低的晶格热导率。相互关联的共价子结构可以形成高迁移率的电荷输运通道。由于塞贝克系数和电导率跟载流子浓度有很强的依赖关系,但是两者对载流子浓度的依赖关系是相反的,因此,需要找出一个最理想的载流子浓度使材料达到最佳的热电性能。 在论文中,我们运用第一性原理方法和半经典玻尔兹曼输运程序包对材料进行计算。以实验上的结构参数为依据,运用投影缀加平面波方法在VASP软件包中对SrLiAs、MTl9Te6(M= Bi, Sb)和Ba2ZnAs2的结构进行优化,寻找最稳定的晶格结构。在WIEN2k软件包中,利用基于密度泛函理论的全电势线性缀加平面波(FP-LAPW)的方法计算材料的电子结构;在 BoltzTraP软件包中,采用半经典玻尔兹曼理论和刚性带模型的方法计算材料的输运性质。 通过对Zintl相化合物SrLiAs的能带结构、态密度和输运性质的研究,我们发现沿y方向的锂原子和砷原子的共价结合在导带中的Γ-Y方向产生较大的弥散性,这导致沿y方向有较高的电导率。n型掺杂的输运性质很有可能比p型掺杂的输运性质好。此外,温度在1000 K时,n型SrLiAs的功率因子比上弛豫时间的极大值出现在沿y方向,数值为9.2×1011 WK-2m-1s-1,对应的载流子浓度为6.5×1020 cm-3。计算出的最小晶格热导率为0.71 W/mK,跟其它Zintl相化合物具有可比性。 通过对BiTl9Te6和SbTl9Te6的研究,我们发现在高温区域p型SbTl9Te6的输运性质有可能比BiTl9Te6的输运性质好。另外,功率因子比上弛豫时间的峰值达到了4.30×1011 WK-2m-1s-1,对应的载流子浓度为1.92×1020 cm-3。不同掺杂原子与碲原子的相互作用导致掺杂化合物不同的带隙。适当大的带隙有利于塞贝克系数的提高,这是p型SbTl9Te6具有比较好的输运性质的原因。材料的输运性质主要受不同掺杂原子的影响。因此,以上碲化物的性质可以通过其它掺杂原子取代部分铊原子的途径进一步提高,这值得更深入的研究与探讨。 通过对Ba2ZnAs2的研究,我们发现在高温区域p型Ba2ZnAs2的输运性质有可能比n型Ba2ZnAs2的输运性质好。由于p型掺杂各个方向的电导率比上弛豫时间大的各向异性,在相同的载流子浓度下,沿z方向的电导率比上弛豫时间明显比沿x和z方向的大。从晶格结构上分析,沿z方向为Zn原子和As原子形成的共价正四面体链状结构,相邻的正四面体之间呈现出边共享特征,这种链状结构有利于沿该方向电导率的提高。p型Ba2ZnAs2的功率因子比上弛豫时间的峰值为1.27×1012 WK-2m-1s-1,对应的载流子浓度为0.48 e/uc。