二维过渡金属硫族化合物热电性能的理论研究

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热电转化技术作为一种环保,可靠,应用范围广的绿色能源技术以及环保制冷技术受到了国内外的广泛关注,相应的制作热电器件与系统的热电材料则引起了科学界的关注及广泛的研究。但制约热电技术广泛应用的主要原因在于目前已商用的热电材料的转换率低下导致无法与常规的热电发电机或制冷设备相竞争。因此,目前对于热电材料的主要研究方向在于如何提高材料的热电性能。过渡金属硫族化合物(TMDC)作为一类新型层状材料,由于其高导电率和低热导率使这一类材料成为制备高效热电器件潜在的热电材料。而TMDC中能稳定存在的结构主要包括2H相和1T相,其中1T相的TMDC的晶格热导率低于2H相,因此,具有1T相的二维Hf S2成为本文的主要研究目标。本文通过第一性原理计算结合玻尔兹曼电子输运方程计算了单双层Hf S2的电子输运性质,热输运性质以及热电性质。又在单层Hf S2的基础上,构建了具有Janus结构的单双层Hf SSe并计算了热电性质。得到了以下研究内容及结果:(1)对于单层Hf S2施加压缩以及拉伸双轴应变的情况下,拉伸应变更容易诱导能带结构变化使能带简并度发生改变,从而改善材料的电输运性质。并且随着应变的增大,由于ZA声学支与光学支之间的间隙的逐渐减小导致声子散射增强使晶格热导率降低。最终,P型掺杂的单层Hf S2在应变达到7%时,在最佳掺杂浓度时的功率因子为29.5 m W/m K~2,此时ZT值最大为3.35;而N型掺杂的单层Hf S2在拉伸应变达到6%时,在最佳掺杂浓度下的功率因子为22.9 m W/m K~2,最大ZT值达到2.29。(2)由于二维材料的层数会引起能带结构的变化,因此,本文计算研究了双层Hf S2。双层Hf S2的高能带简并度以及高声子散射率提高了热电性能,得到了在常温下双层Hf S2的不同掺杂类型(空穴/电子)的最大ZT值分别为0.85/1.76。而后,对双层Hf S2施加了不同程度的双轴拉伸应变(0%-7%),随着应变的增大,能带简并度的改变以及声子散射的改变改善了热电性能。最终,当应变达到6%时,P型掺杂的双层Hf S2的最大ZT值为1.83;应变达到3%时,N型掺杂的最大ZT值为3.29。(3)由于Janus结构打破了TMDC具有的镜像对称结构,引起了面内应变,进而导致能带结构的改变。本章通过第一性原理计算了在300 K以及600 K温度下的单双层Hf SSe的热电性能。结果表明双层Hf SSe的热电性能要明显优于单层Hf SSe,并且随着温度的提升,热电性能也在提升,最终在600 K温度下,双层Hf SSe在不同掺杂类型(空穴/电子)的最大ZT值分别为1.68/3.88。
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