典型Zintl相材料熱電理論

第1章 緒 論 1
1.1 引 言 1
1.2 熱電性能的表征 2
1.2.1 熱電轉(zhuǎn)換效率 2
1.2.2 熱電優(yōu)值ZT 3
1.3 提高材料熱電優(yōu)值的途徑 9
1.3.1 提高功率因子 9
1.3.2 降低熱導(dǎo)率 11
1.4 本書主要研究內(nèi)容 13
參考文獻(xiàn) 19
 
第2章 理論基礎(chǔ)及計(jì)算方法 22
2.1 研究背景 22
2.2 對多粒子系統(tǒng)的薛定諤方程的近似 23
2.2.1 非相對論近似 24
2.2.2 絕熱近似 24
2.2.3 單電子近似 25
2.3 密度泛函理論 29
2.3.1 托馬斯-費(fèi)米模型 29
2.3.2 霍亨伯格-孔恩定理 30
2.3.3 科恩-沈呂九方程 32
2.4 交換關(guān)聯(lián)泛函 34
2.4.1 局域密度近似泛函 34
2.4.2 廣義梯度近似泛函 35
2.4.3 LDA （GGA） U方法 35
2.4.4 雜化密度泛函（Hydrid Density Functional） 36
2.5 電子Boltzmann輸運(yùn)理論 36
2.6 本文采用的計(jì)算軟件 37
2.6.1 VASP軟件包 37
2.6.2 WIEN2K軟件包 37
2.6.3 Phonopy 38
2.6.4 Phono3py 38
參考文獻(xiàn) 39
 
第3章 Zintl相A5M2Pn6的晶格結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和熱電特性 42
3.1 As-As鍵對Ca5M2As6（M=Sn,Ga）電子結(jié)構(gòu)和熱電性質(zhì)的
影響 43
3.1.1 晶格結(jié)構(gòu) 44
3.1.2 電子結(jié)構(gòu) 45
3.1.3 電子輸運(yùn)性質(zhì) 51
3.1.4 熱輸運(yùn)性質(zhì) 55
3.1.5 小結(jié) 56
3.2 As-As鍵對化合物Ca5Ga2As6和Ca3GaAs3的電子結(jié)構(gòu)和
熱電特性的影響 56
3.2.1 Ca5Ga2As6和Ca3GaAs3的晶格結(jié)構(gòu) 57
3.2.2 電子結(jié)構(gòu) 58
3.2.3 態(tài)密度 60
3.2.4 熱電特性 62
3.2.5 小結(jié) 65
3.3 Sr5Al2Sb6和Ca5Al2Sb6電子結(jié)構(gòu)和熱電特性差異的
微觀機(jī)制 65
3.3.1 晶體結(jié)構(gòu) 66
3.3.2 摻雜提高Sr5Al2Sb6的熱電特性 68
3.3.3 電子結(jié)構(gòu) 69
3.3.4 輸運(yùn)性質(zhì) 73
3.3.5 小結(jié) 76
3.4 Sr5Sn2As6的電子結(jié)構(gòu)和熱電特性 76
3.4.1 晶體結(jié)構(gòu) 77
3.4.2 彈性和熱學(xué)性能 78
3.4.3 電子輸運(yùn) 79
3.4.4 電子結(jié)構(gòu) 83
3.4.5 小結(jié) 87
參考文獻(xiàn) 87
 
第4章 提高Zintl相化合物A5M2Pn6的熱電特性 91
4.1 A5M2Pn6組成元素電負(fù)性的不同對熱電特性的影響 91
4.1.1 晶格結(jié)構(gòu) 91
4.1.2 電子結(jié)構(gòu) 92
4.1.3 電輸運(yùn)性質(zhì) 94
4.1.4 小結(jié) 96
4.2 溶質(zhì)原子的溶度上限對摻雜載流子濃度的影響 96
4.2.1 電子結(jié)構(gòu) 97
4.2.2 Ca5Al2Sb6的輸運(yùn)性質(zhì) 98
4.2.3 選擇合適的摻雜原子 101
4.2.4 小結(jié) 103
4.3 Pb摻雜調(diào)控能帶結(jié)構(gòu)改善Ca5In2Sb6的熱電性能 104
4.3.1 晶格結(jié)構(gòu) 104
4.3.2 熱電輸運(yùn)性質(zhì) 105
4.3.3 電子結(jié)構(gòu) 107
4.3.4 Pb摻雜Ca5In2Sb6的熱電特性 109
4.3.5 小結(jié) 114
參考文獻(xiàn) 114
 
第5章 Zintl相A3MPn3的晶格結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和熱電特性 117
5.1 Ca3AlSb3和Sr3AlSb3中四面體不同的排布方式影響電子
結(jié)構(gòu)和熱電特性 117
5.1.1 晶體結(jié)構(gòu) 118
5.1.2 A3AlSb3（A=Ca, Sr）的電子輸運(yùn)特性 120
5.1.3 電子結(jié)構(gòu) 123
5.1.4 小結(jié) 125
5.2 Sr3GaSb3的電子結(jié)構(gòu)和熱電性質(zhì) 126
5.2.1 晶格結(jié)構(gòu) 126
5.2.2 輸運(yùn)性質(zhì) 127
5.2.3 電子結(jié)構(gòu) 129
5.2.4 小結(jié) 131
參考文獻(xiàn) 132
 
第6章 Ba2ZnPn2及其他Zintl相化合物的電子結(jié)構(gòu)和熱電特性 134
6.1 Ba2ZnPn2的電子結(jié)構(gòu)和熱電特性 134
6.1.1 晶體結(jié)構(gòu) 134
6.1.2 弛豫時(shí)間和熱導(dǎo)率的計(jì)算 135
6.1.3 熱電輸運(yùn)分析 136
6.1.4 電子結(jié)構(gòu) 140
6.1.5 小結(jié) 143
6.2 引起Zintl相化合物Ba3Al3P5和Ba3Ga3P5熱電性質(zhì)差異的
微觀機(jī)制 144
6.2.1 晶格結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性及化學(xué)鍵特征 144
6.2.2 晶格熱導(dǎo)率 147
6.2.3 熱電輸運(yùn)性質(zhì) 149
6.2.4 電子結(jié)構(gòu) 152
6.2.5 小結(jié) 155
參考文獻(xiàn) 155
 
第7章 幾種各向同性的彈性散射下電子結(jié)構(gòu)和熱電轉(zhuǎn)換效率的
關(guān)系 158
7.1 Chasmar-Stratton 理論 159
7.2 在幾種散射機(jī)制下材料參數(shù)β和電子結(jié)構(gòu)的關(guān)系 159
7.3 簡單模型 161
7.4 簡單多谷模型 163
7.5 結(jié)論和展望 164
參考文獻(xiàn) 165