【摘要】：能源是人類賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ),但隨著全球經(jīng)濟的發(fā)展,化石能源的過量使用造成了能源的匱乏和環(huán)境的惡化。尋找新的清潔能源迫在眉睫。熱電材料是一種新型的能源轉(zhuǎn)換材料,它利用固體中載流子和聲子的輸運及其相互作用,實現(xiàn)熱能和電能之間的直接相互轉(zhuǎn)換。因此,熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)作為一種新型的清潔能源技術(shù),可以解決人類面臨的環(huán)境污染和能源短缺問題。然而,目前熱電材料較低的轉(zhuǎn)換效率限制了其大規(guī)模應用。尋找和探索提高材料熱電轉(zhuǎn)換效率的途徑和方法,對推動熱電技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。本文以半Heusler合金化合物中的ZrNiSn和NbCoSb為研究對象,采用基于密度泛函理論的第一性原理計算方法和玻爾茲曼輸運理論分別研究了摻雜和缺陷對電子結(jié)構(gòu)以及熱電性能的影響,并獲得了以下主要的研究成果:已有的實驗報道表明,Hf/Sb共摻明顯改善了ZrNiSn合金的熱電性能,本論文探究了其中的原因。首先,Hf在Zr的原子位置取代有效地增加了導帶邊緣能帶的簡并度和彌散度,在很大程度上優(yōu)化了塞貝克系數(shù),同時提高了電導率。主要原因是在費米能級附近,與Hf和Zr最近的Ni原子提供了更多的d電子態(tài)與它們的d電子態(tài)雜化。盡管摻Hf稍微提高了電導率,但電導率依然不是很高。其次,當在Sn的原子位置共摻Sb時,不僅增大了費米能級附近的總態(tài)密度,而且保持了高的遷移率,進而顯著地提高了電導率。此外,Bader電荷分析表明了Sb摻雜提供更多電子的原因。這源于Sb失去了更多的電子,以及Sb與最近的Ni原子比Sn與最近的Ni原子有更強的雜化。另外,Sb共摻不但使在導帶最小值Γ點能帶的簡并度達到11,而且使導帶邊緣的能量差減少,能帶極值點增多,更進一步增大了能帶的近似簡并度。這可能是因為,載流子濃度增高,費米能移動到較高的能量時,參與輸運的導帶能谷增多,簡并度增大。這就使在載流子濃度顯著增加的情況下,塞貝克系數(shù)不至于下降太多。另外,我們還預測了,在1000 K載流子濃度為7.56×10~(18) cm~(-3)時,Hf_(0.5)Zr_(0.5)NiSn_(0.98)Sb_(0.02)的ZT可以達到1.37。由此表明,Hf/Sb共摻是優(yōu)化ZrNiSn合金化合物熱電性能的一種有效的方法。最近Zeier等人的工作表明,可以使用18電子的規(guī)則去理解帶有Nb空位的名義上19電子的半赫斯勒合金NbCoSb。和含有Nb空位的Nb_(0.8)CoSb相比,NbCoSb的費米面進入了導帶,顯示出典型的簡并半導體特性。計算結(jié)果表明,0.2的Nb缺陷濃度能夠有效調(diào)節(jié)載流子濃度,使Nb_(0.8)CoSb的費米能級下移,并且同時增大了導帶底X點的簡并度和能帶有效質(zhì)量,導致態(tài)密度有效質(zhì)量的增加。盡管一個大的態(tài)密度有效質(zhì)量有助于獲得高的塞貝克系數(shù),但是同時高的能帶有效質(zhì)量,反過來會降低載流子遷移率,從而減小電導率。同時揭示了與NbCoSb相比,合適的Nb缺陷不僅能消除雜質(zhì)相,而且還能優(yōu)化載流子濃度,進而顯著地提高熱電性能。在1100 K,Nb_(0.8)CoSb的ZT峰值達到0.29。本工作表明Nb空缺可能是改善NbCoSb熱電性能的一種有效方法,揭示了帶有本征空穴的名義上19個電子的HH合金化合物可能是一種新型有前途的熱電材料。
【學位授予單位】：河南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TB34
【圖文】：

-1（b）所示，當在兩個不同導體的回路中進行加電壓，回路中有電流通過結(jié)合點處吸熱，積極制冷，下面的連接點處放出熱[5, 6]。由于不同導體中同的能量水平，當剩余能量從高能級流向低能級時，剩余能量被釋放; 相低能級移動到高能級時，能量從外部被吸收。能量在兩導體的交界面處吸量取決于電流的方向。隨著熱力學的出現(xiàn)，1856 年 W·湯姆孫發(fā)現(xiàn)了繼

2*nenemτσ = μ= 茲曼常數(shù)，*m 是態(tài)密度的有效質(zhì)量，h 是普朗克常電荷，μ 是載流子遷移率，τ 是弛豫時間。但由于各的，使得實現(xiàn)高熱電優(yōu)值具有很大的挑戰(zhàn)。其中，半往可以通過摻雜進行優(yōu)化。在給定載流子濃度時，電材料的種類eusler 合金化合物極具發(fā)展前景的中高溫熱電材料，半 Heusler (HH)化定性和機械性能精良等諸多優(yōu)點備受人們關(guān)注。HH構(gòu)，如圖 1-2 所示，空間群為 F 4 3m, 號 21[10]。該體

【相似文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 啟明;加Y和Y_2O_3對β-FeSi_2熱電性能的影響[J];金屬功能材料;2005年02期

2 ;摻雜PbTe合金的熱電性能[J];金屬功能材料;1999年01期

3 Е.М.Савицкий;張建華;;鎢單晶的熱電性能[J];儀表材料;1974年04期

4 許煜寰,李仲榮,朱秀娟;摻Mn,Nb和Ce量對PbTiO_3陶瓷系列的介電、熱電性能的影響[J];物理;1982年01期

5 梁安生;李俊杰;潘成軍;王雷;;窄帶隙聚噻吩衍生物復合熱電材料的制備及熱電性能[J];高等學�；瘜W學報;2016年06期

6 ;第四族硫?qū)僭毓杌锏臒犭娦阅躘J];金屬功能材料;2018年06期

7 魏劍;薛飛;王佳敏;范銀;蘇歡;郝磊;;低溫循環(huán)載荷對碳纖維增強硫鋁酸鹽水泥基復合材料熱電性能的影響研究[J];硅酸鹽通報;2018年11期

8 丁碩,溫廣武,雷廷權(quán),周玉;碳化硼的熱電性能[J];功能材料;2003年03期

9 ;金屬與導電材料[J];電子科技文摘;1999年06期

10 楊曉亮;陽浩;魏萍;劉奇;陳德茂;;鎢錸熱電偶專用補償導線的制備及其熱電性能的研究[J];工業(yè)計量;2012年S2期

相關(guān)會議論文 前10條

1 張婷;蔣俊;陳建敏;張秋實;李煒;許高杰;;P型BiSbTe/Zn_4Sb_3復合材料的熱電性能[A];2011中國材料研討會論文摘要集[C];2011年

2 徐桂英;;具有量子效應的多空硅片的熱電性能[A];2004年中國材料研討會論文摘要集[C];2004年

3 秦鵬;葛振華;崔麗君;馮晶;;(聚3,4-乙撐二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸鹽)/碲銻鉍塊體復合材料的熱電性能研究[A];第十九屆全國高技術(shù)陶瓷學術(shù)年會摘要集[C];2016年

4 王抗;葛振華;馮晶;;CuInSe_2/In_2Se_3微觀形貌及其熱電性能研究[A];第十九屆全國高技術(shù)陶瓷學術(shù)年會摘要集[C];2016年

5 彭江英;楊君友;;多填充skutterudite材料In_xYb_yCo_4Sb_(12)的拉曼光譜研究[A];2011中國材料研討會論文摘要集[C];2011年

6 鄧元;宋袁曾;張艷景;李娜;;金屬鉍薄膜的取向生長及熱電性能研究[A];第十五屆全國高技術(shù)陶瓷學術(shù)年會摘要集[C];2008年

7 謝毅;;去耦合同步優(yōu)化熱電性能的思考——提高熱電效率的新機遇[A];第十三屆固態(tài)化學與無機合成學術(shù)會議論文摘要集[C];2014年

8 唐定國;曾榕清;李襄宏;謝超異;;銦摻雜熱電材料的精細結(jié)構(gòu)和電熱輸運性能[A];中國化學會第30屆學術(shù)年會摘要集-第十一分會：應用化學[C];2016年

9 閔新民;雷剛;;失配層鈷酸鹽與摻過渡金屬系列的電子結(jié)構(gòu)與熱電性能[A];2008全國功能材料科技與產(chǎn)業(yè)高層論壇論文集[C];2008年

10 戴峰;武偉名;霍鳳萍;徐桂英;;V摻雜對CrSi_2熱電性能的影響[A];2011中國材料研討會論文摘要集[C];2011年

相關(guān)重要報紙文章 前2條

1 記者 劉海英;碘化銫錫半導體熱電性能獨特[N];科技日報;2017年

2 陳丹;新型籠形包合物具有極強熱電性能[N];科技日報;2013年

相關(guān)博士學位論文 前10條

1 周志偉;SnTe基化合物半導體材料的微結(jié)構(gòu)調(diào)控及熱電性能研究[D];華中科技大學;2017年

2 江彬彬;新型類液態(tài)硫銀鍺礦族化合物熱電性能研究[D];中國科學院大學(中國科學院上海硅酸鹽研究所);2018年

3 張強;Mg_2Si_(1-x)Sn_x基材料的超快速制備和熱電性能優(yōu)化[D];武漢理工大學;2015年

4 楊濤;CaMnO_3和Ca_3Co_4O_9氧化物熱電材料的摻雜及熱電性能的研究[D];吉林大學;2018年

5 劉科高;MA-SPS制備CoSb_3和RE_xCo_4Sb_（12）的熱電性能及其機理研究[D];北京工業(yè)大學;2004年

6 褚穎;納米方鈷礦化合物的化學合成及其熱電性能研究[D];武漢理工大學;2007年

7 鄢永高;AgPb_mSbTe_（2+m）類化合物的制備與熱電性能[D];武漢理工大學;2007年

8 鄧書康;p型Ge基I-型籠合物的制備、結(jié)構(gòu)及熱電性能[D];武漢理工大學;2008年

9 劉洪權(quán);摻雜Ca_3Co_4O_（9+δ）材料制備及熱電性能研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2007年

10 董翔;新型三氧化鎢基陶瓷的熱電性能研究[D];西南交通大學;2014年

相關(guān)碩士學位論文 前10條

1 崔麗君;In_2O_3(ZnO)_k陶瓷的制備及其熱電性能研究[D];昆明理工大學;2018年

2 李懷明;鋁鎢雙摻氧化鋅陶瓷的制備及熱電性能研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2018年

3 林云志;SnSe基熱電復合材料的制備及其熱電性能研究[D];東華大學;2018年

4 薛飛;環(huán)境載荷對膨脹石墨/碳纖維增強水泥基復合材料熱電性能的影響研究[D];西安建筑科技大學;2018年

5 張宗委;Bi_2Se_3基合金熱電性能研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2018年

6 祁亞亞;La_yTi_(0.1)Ga_(0.1)Fe_xCo_(4-x)Sb_(12)合金的組織結(jié)構(gòu)與熱電性能[D];哈爾濱工業(yè)大學;2018年

7 王抗;InSb和CuInSe_2基半導體材料的制備及其熱電性能研究[D];昆明理工大學;2018年

8 王玉樹;摻雜與復合對Bi_xSb_(2-x)Te_3熱電性能的調(diào)控[D];中國科學技術(shù)大學;2018年

9 李二瑩;水熱法制備Cu_(2-x)Se以及Cu_(2-x)Se彌散對一些氧化物熱電性能的影響[D];鄭州大學;2018年

10 關(guān)衛(wèi)寶;氧化物材料ZnO和BiCuSeO的制備及熱電性能研究[D];河南大學;2018年

本文編號：2727277