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1 篇 高通量搜索
1 篇 第一性原理统计学...
1 篇 热电材料

机构

1 篇 中国科学技术大学

作者

1 篇 郭淑萍

语言

1 篇 中文

检索条件"主题词=第一性原理统计学方法"

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详细简洁

排序：

18电子Half-Heusler材料热电性能调控及新材料预测

18电子Half-Heusler材料热电性能调控及新材料预测

引用

作者：郭淑萍中国科学技术大学

学位级别：博士

热电材料作为一种新型能源材料,可以实现热能与电能之间的直接转换,具有重要的应用价值,比如热电材料可以回收工业中产生的大量废热来发电,缓解能源和环境压力。具有18电子的Half-Heulser(HH)材料由于其半导体特性,良好的电学性能,所含... 详细信息

热电材料作为一种新型能源材料,可以实现热能与电能之间的直接转换,具有重要的应用价值,比如热电材料可以回收工业中产生的大量废热来发电,缓解能源和环境压力。具有18电子的Half-Heulser(HH)材料由于其半导体特性,良好的电学性能,所含元素通常价格便宜、储量丰富,热力学稳定和机械性能好等优点而引起了热电领域的广泛关注。但是HH材料的本征热导率通常比较高(>15 W m-1 K-1),这极大地限制了其热电材料性能的提升和广泛应用。因此理解现有良好18电子HH热电材料(如NbFeSb)的热学及电学物理机制,成为了进一步调控HH材料热电性能的当务之急。此外,由于现阶段被研究的18电子HH体系很少,因此可以通过高通量计算搜索出具有高效热电性能的18电子HH候选体系,或通过混合17和19电子体系,设计出新颖的18电子体系,为实验提供新的研究体系。主要研究内容如下:一、NbFeSb基HH材料热电性能缺陷调控:具有18电子的NbFeSb是重要的p型热电材料,实验上通过掺杂形成固溶体来散射声子、降低热导率,提高其热电性能(zT在1200 K可达1.5)。我们研究了不同掺杂元素(V和Ti)在NbFeSb中的分布随温度变化的情况。通过理论模拟的相图,我们发现在低温下(Nb,V)FeSb和(Nb,Ti)FeSb表现不同的行为:(Nb,V)FeSb倾向于相分离,而(Nb,Ti)FeSb会形成两个稳定的基态结构。在高温时,它们都会形成无序固溶体。在相边界附近,会出现固溶体和相分离的共存结构。为此,我们提出了固溶体中点缺陷和相分离界面的协同效应散射声子降低热导率的方案:固溶体中引入的点缺陷和相分离所引入的共格或非共格界面可以同时散射短波声子和中波声子。我们的工作为实验上进一步降低NbFeSb基材料的热导率和提高其热电性能提供了新的思路。二、高效18电子HH热电材料的高通量筛选:实验上广泛研究的18电子HH材料只有寥寥几种,然而还有大量的18电子HH体系的热电性能未被详细研究过。因此从中寻找具有高热电性能的母体HH材料具有重要的意义。为此,我们采用高通量计算的方法研究了 95种HH母体材料。考虑到带隙、矿藏等因素,并以目前实验广泛研究的p型NbFeSb和n型ZrNiSn的功率因子为筛选标准,我们搜索出9种p型和6种n型电学性能良好的HH材料,主要是由于材料具有高能谷简并度、低形变势、轻带和低声速等因素。进一步对筛选出的材料进行热导率计算,结合高功率因子和低热导率,最终我们筛选出的三种HH体系(VCoGe、NbCoSi、TiNiGe)是良好热电材料候选。我们的工作不仅为实验提供了新体系,同时有助于理解高效热电性能背后的物理机制。三、振动熵对18电子HH相稳定性的影响:立方相是HH高通量计算中广泛使用和研究的结构,然而通过与实验观测相对比,我们发现对于一些HH体系,实验上反而合成的是具有低对称性的晶体结构(六方相和正交相)。很明显,不同的HH晶体结构会表现出迥然不同的热电性能(立方相的热电性能较好),这严重影响了高通量预测结果的精度。因此理解HH的相稳定性就变的尤为重要。我们研究了 17种HH体系的相稳定性,发现在低温下(0 K)这17种HH体系的基态结构确实是立方相,然而在有限温度下,熵的贡献变得越来越重要,能够逐渐地稳定具有低对称结构的相。这是由于低对称性结构的成键比立方相弱,导致低频区声子态密度较高,所以振动熵在高温下倾向于稳定低对称性结构。我们的工作不仅解释了第一性原理预测与实验观察结果不同的原因,同时提出了通过振动熵制备稳定立方相的方法。四、新型18电子HH热电材料设计:虽然具有半导体特性的18电子HH热电材料被广泛研究,但是这类体系的数量较少。为此,我们通过理论模拟混合17 电子和 19 电子的 HH 体系(TiFe1-xNixrSb,ZrFe1xNixBi和 VFe1-xNixGe),用于设计出具有18电子的HH材料,从中我们预测出了两个稳定的基态结构(Ti4Fe2Ni2Sb4和V4Fe2Ni2Ge4)。通过与高温无序固溶体系相比,我们发现基态结构的权重载流子迁移率较高,因此其电学性质比相应固溶体高。通过热导率计算发现基态结构同时具有较低的热导率。综合电学和热学性能基态,Ti4Fe2Ni2Sb4和V4Fe2Ni2Ge4在高温下具有良好的热电性能:p型(n型)热电优值分别为1.75(0.64)和1.33(0.95)。我们的工作表明形成有序基态结构是维持HH高电学性能的重要途径,同时为优化和设计高效Half-Heusler化合物提供新思路。

关键词： Half-Heusler 热电材料第一性原理统计学方法高通量搜索团簇展开 SQS结构振动熵相变

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