五边形石墨烯热电性能的研究

发布时间：2017-09-11 01:29

  本文关键词：五边形石墨烯热电性能的研究

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【摘要】：科学技术是当今社会发展和进步的源动力,但是在其发展的同时又出现了很多我们不想面对又不得不面对的问题。随着科技的发展,在我们的生活越来越便捷的同时,我们的环境受到了一些负面影响。科技的发展伴随着不可再生能源的消耗,而这些不可再生能源的消耗殆尽除了会增加能源危机外,还对我们赖以生存的环境造成不堪设想的影响。为了减轻这些危机,我们必须要开发出可再生的环保能源,热电材料就是可再生环保能源材料,而提高热电材料的热电转换效率和寻找新型高效率的热电材料也成了材料科学家们研究的重中之重。近两年,一种新型的材料,五边形石墨烯,引起了我们的注意,除了性能稳定外,它还具有很优秀的热电潜质。我们通常利用材料的热电优值(Figure of merit)ZT来表征材料的热电性能的好坏,其定义式为:=2/(+),其中S表示的是材料的Seebeck系数、σ表示材料的电导率、T为环境的绝对温度,和分别表示材料中电子的热导率和晶格的热导率,并将它们统称为材料的热导率。对于不同的材料,其热电优值ZT的值越高也就是说这种材料具有更加优异的热电性能,反之也就表示材料的热电性能并不是很好。在我们计算的初始部分,使用的是第一性原理和密度泛函理论的方法,通过对常态下五边形石墨烯的能带结构的计算和分析,最终得知五边形石墨烯属于间接带隙半导体。但是,由于价带的最高点和次高点之间的能量差值非常的小,而价带的次高点和导带的最低点都位于M-Γ路径上,因此也可以将五边形石墨烯归类为直接带隙半导体,这也就是五边形石墨烯既具有间接带隙半导体的一些优点又不乏直接带隙半导体的优秀特征的原因。不仅如此,我们还计算了五边形石墨烯的总态密度和两种碳原子的投影态密度,通过对态密度曲线的观察我们发现在五边形石墨烯费米能级附近出现了较高的态密度峰,为了判断该态密度峰的来源,我们分别分析了五边形石墨烯中sp3杂化的C1原子的投影态密度和sp2杂化的C2原子的投影态密度,通过分析我们得知这个较高的态密度峰,主要是由C2原子的Pz轨道电子贡献的。其次,我们又通过Boltz Tra P软件包对五边形石墨烯的热电性能进行计算,发现五边形石墨烯是一种p型空穴导电的半导体,并且其具有比相同条件下的石墨烯、石墨炔等材料的Seebeck系数的峰值高很多的Seebeck系数峰值,这也就能说明五边形石墨烯确实具有成为非常优秀的热电材料的潜质。之后,我们又计算了施加各种压强的条件下,五边形石墨烯的能带结构以及态密度等,发现加压对于五边形石墨烯的性能并没有产生很明显的影响。最后,我们又汇总了400 K条件下,对于施加不同压强的五边形石墨烯的Seebeck系数以及五边形石墨烯电子功率因子与载流子浓度之间的关系进行了计算,发现施加压强与否对于五边形石墨烯的热电性能并没有产生明显的影响。这些加压的计算也很好的说明了五边形石墨烯在变化的不同压强存在的环境中,仍然具有良好的稳定性,从而体现了五边形石墨烯可以在存在外压的环境中,并仍可以作为良好的热电材料得以使用。
【关键词】：热电材料 第一性原理 五边形石墨烯 BoltzTraP
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O613.71
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-20
• 1.1 热电材料研究背景10-11
• 1.2 热电学基本理论11-15
• 1.2.1 塞贝克(Seebeck)效应11-12
• 1.2.2 帕尔贴(Peltier)效应12-13
• 1.2.3 汤姆逊(Thomson)效应13-14
• 1.2.4 Thomson关联14-15
• 1.3 热电优值(Figure of merit)15
• 1.4 热电材料分类15-20
• 1.4.1 铋化物及其纳米结构16
• 1.4.2 碲化铅16-17
• 1.4.3 硅化物以及硅-锗合金17
• 1.4.4 氧化物热电材料17
• 1.4.5 石墨烯17-18
• 1.4.6 Skutterudite结构和纳米Skutterudite结构热电材料18-19
• 1.4.7 Half-Heusler合金19-20
• 第2章 理论基础20-28
• 2.1 第一性原理20
• 2.2 密度泛函理论(Density Functional Theory, DFT)20-28
• 2.2.1 Thomas-Fermi模型21
• 2.2.2 Hohenberg-Kohn定理21-22
• 2.2.3 Kohn-Sham方程22-23
• 2.2.4 交换关联泛函23
• 2.2.5 局域密度近似理论(LDA)23-24
• 2.2.6 广义梯度近似(GGA)24-26
• 2.2.7 赝势方法(Pseudo-Potential Methods)26-28
• 第3章 五边形石墨烯(Penta-Graphene)的基本性能的研究28-35
• 3.1 五边形石墨烯基本介绍28-29
• 3.2 五边形石墨烯的结构29-32
• 3.3 五边形石墨烯的能带结构32-33
• 3.4 五边形石墨烯的态密度33-34
• 3.5 五边形石墨烯的总电荷密度34-35
• 第4章 五边形石墨烯热电性能的研究35-48
• 4.1 BoltzTraP软件包35
• 4.2 不同温度下五边形石墨烯的Seebeck系数与化学势之间的关系35-37
• 4.3 不同温度下五边形石墨烯的Seebeck系数和载流子浓度之间的关系37-38
• 4.4 不同温度下五边形石墨烯的电子功率因子与载流子浓度之间的关系38-39
• 4.5 压强对于五边形石墨烯热电性能的影响39-48
• 4.5.1 施加 10 GPa压强下五边形石墨烯的能带结构40-41
• 4.5.2 施加 10 GPa压强下五边形石墨烯的态密度41-42
• 4.5.3 施加 10 GPa的压强下五边形石墨烯的电荷密度42-43
• 4.5.4 施加 10 GPa压强下五边形石墨烯Seebeck系数和载流子的浓度关系43-44
• 4.5.5 施加 10 GPa压强下五边形石墨烯的电子功率因子与载流子浓度之间的关系44-45
• 4.5.6 施加 10 GPa压强下五边形石墨烯Seebeck系数和化学势关系45-48
• 第5章 结论48-49
• 参考文献49-55
• 攻读硕士学位期间的科研成果55-56
• 致谢56

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