利用第一性原理研究几类低维及块体材料的热电性能

发布时间：2021-10-23 04:53

　　能源危机和环境污染是人类面临的重大挑战。为了解决这个问题,一种将热能和电能直接相互转换的热电材料研究受到了广泛关注。衡量热电材料能量转换效率的指标为无量纲的热电优值ZT=S2σT/（κl+κe）,其中S、σ、T、κL和κe分别是材料的Seebeck系数、电导率、绝对温度、晶格热导率和电子热导率。ZT值越大,材料的热电性能就越好。然而Seebeck系数S、电导率σ和电子热导率κe往往都会相互耦合在一起,导致长期以来ZT值难以有明显的提升。理论和实验研究表明,低维体系的热电性能要优于相应的块体材料。一方面是因为低维体系中的量子限制效应可以增加费米能级附近的态密度从而提高Seebeck系数;另一方面是低维材料中增大的表面积增加了声子的界面散射从而降低了晶格热导率κL。基于这方面原因,本文首先研究了 MoS2纳米带、PbTe片层以及Bi2Te3/PbTe异质结等低维体系的热电性质。我们还对最近几年受到广泛关注的块体热电材料BiCuSeO的电、热输运性质进行了深入分析和理解。此外,以SiGe化合物为例,我们还考察了电声耦合对晶格热导率的修正,并进一步考察了其对材料热电性能的影响。本文的主要内容如... 

【文章来源】：武汉大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：112 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

图１．１热电效应示意图

为热电器件。根据Ｓｅｅｂｅｃｋ效应和Ｐｅｌｔｉｅｒ效应可知，热电材料既可用来发电，也提供??了一种新的制冷途径。在实际应用中，人们往往将ｐ型和《型热电材料组合起来，形成??一个；ｒ型的结构，如图１．２所示。热电器件具备结构简单、无噪音、无磨损等特点，且??３??

＇??上式中，７；和７；表示材料的髙温端和低温端的温度，Ｚ７＿为材料在工作温度范围内的??平均Ｚ７＼图１．３给出了热电器件低温端在３００?Ｋ，高温端在３５０?Ｋ下热电发电过程的能??量转换效率。可以看到，ｚｒ值越大材料的热电转换效率就越高，这是非常合理的。我??们可以发现Ｓｅｅｂｅｃｋ系数越高，材料两端在相同温差的情况下获得的电势差就越大；而??高的电导率使得载流子在材料中能够更快的移动，从而提高材料的热电功率；最后热导??率越低就更能使得材料两端保持较大的温差，从而具有较大的电势差。有研究表明，如??果热电材料的ＺＴ能够达到３．０，那么其能量转换效率就能够与传统的发电和制冷技术??相媲美。??０．０６?－Ｊ?＞?１?１?１?．?１?．???０．０５－?＾＾００００：??Ｉ０－０４＇??鹊?０．０３－?－??＿?，??￥０．０２－?Ｗ?－??０．０１?－?Ｊｒ??０．００?兄￣￣＿?１?■?，???


本文编号：3452505