典型热电材料的第一原理计算

【摘要】随着科技的快速发展和量子化学这门学科的不断改进，模拟计算在材料的研究发展过程中发挥越来越关键的作用，材料计算可以预测材料的特性进而开发出新的性能优越的材料，而且还可以解释一些实验中出现的现象。近年来笼型化合物因有电子晶体-声子玻璃之称而广泛受到人们的关注，笼型化合物的空间结构是一个笼子形状，中间有一个中心原子，其他的原子构成了笼子的框架，这样中心原子和框架原子必然有空隙，会引起中心原子在笼中震动，震动引起声子散射，从而热导率也大幅降低。层状结构的In4Se3热导率比较低，在层和层的中间是由于范德瓦尔斯力而结合在一起的，在层内是通过较强的共价键结合，在电荷密度波平面内有较高的塞贝克系数和较低的热导率，引起了广泛的关注和研究。本文以Ba8-xAxCu16P30（A=Sr,Eu）、In4X3(X=Te,Se)几种典型热电材料为研究对象，利用基于密度泛函理论的WIEN2k计算软件对结构进行最优化，并且对态密度和能带结构进行研究，然后利用计算结果，借助Boltztrap接口软件计算出电导率和赛贝克系数。另本文根据计算结果预测了具有半金属特性Ti2CoAl（Ga）的热电性能。主要结果与结论如下：（1）建立Ba8Cu16P30的空间结构，得出电导率和赛贝克系数，和文献报道的实验结果相比，电导率明显比较高，说明在改善实验条件的前提下仍有提高电导率的空间。（2）用Sr取代Ba填充在笼子的中心，自洽计算能量收敛很快，因此，可以预测在适当的实验条件下，有希望合成新型化合物Sr8Cu16P30。（3）用Eu取代Ba填充在笼子的中心时，计算结果显示自旋向上和自旋向下态密度图是不对称的。说明EuBa7Cu16P30是磁性的，其磁性主要来自Eu的4f电子的贡献。（4）对In4X3(X=Te,Se)的能带结构和态密度进行分析可知它们都是直接能带半导体，禁带宽度分别为0.22eV和0.18eV,当用一个Se取代In4Te3中的Te的时候，显示赛贝克系数由正变成了负，说明半导体材料的导电性质发生了根本性的变化，由原来的P型半导体转变成了N型半导体。电阻率和温度的之间的关系也发生显著变化。获得了与实验定性一致的计算结果。（5）为了研究新化合物Ti2CoAl的物性，我们建立了两种晶体结构模型，分别假设它的具有立方的Cu2MnAl型（空间群：Fm3m，216号）和Hg2CuTi（空间群：F43m，225号）结构。结构优化计算结果表明：225号空间结构群空间群结构比216号结构Ti2CoAl的能量低很多，前者的铁磁相更稳定。（6）对态密度图进行分析发现自旋向上没有带隙，表现为金属特性，而自旋向下出现0.4eV的带隙，确定了Ti2CoAl具有半金属性质。Ti2CoAl的总磁矩为2μB，合金的磁矩主要是由于Ti原子做出的贡献，Ti1的磁矩为1.076μB，Ti2的磁矩为0.580μB。
【作者】温亚娟；
【导师】霍德璇；
【作者基本信息】杭州电子科技大学，物理电子学，2014，硕士
【关键词】第一原理计算；WIEN2k；热电材料；笼型化合物；半金属材料；

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