【摘 要】
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进入新世纪以来,随着科学技术的飞速发展,航空航天、信息工程和人工智能等领域对新型功能材料的需求日益增长,这使得人们对新材料的性能要求也越来越高,因此开发和研制新型功能材料迫在眉睫。然而在新型功能材料的研发生产中不可避免的要使用到能源,现如今能源的主要来源是石化燃料的燃烧,但是石化燃料的大量燃烧已经引发了各种各样的环境问题。因此寻找高效率且对环境无害的可持续发展能源也是我们这一代人的目标。Heusl
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进入新世纪以来,随着科学技术的飞速发展,航空航天、信息工程和人工智能等领域对新型功能材料的需求日益增长,这使得人们对新材料的性能要求也越来越高,因此开发和研制新型功能材料迫在眉睫。然而在新型功能材料的研发生产中不可避免的要使用到能源,现如今能源的主要来源是石化燃料的燃烧,但是石化燃料的大量燃烧已经引发了各种各样的环境问题。因此寻找高效率且对环境无害的可持续发展能源也是我们这一代人的目标。Heusler合金是一种高度有序的金属间化合物,原子间的高度有序排列给材料带来了丰富的物理特性和应用功能,因此深入研究Heusler合金对开发新型功能材料以及高效可持续发展的热电材料提供了一条路线。本文基于DFT（密度泛函理论）使用第一性原理计算了Fe基磁性半金属材料Fe2-XMn1+XSi（X=0,0.25,0.5,0.75,1）的结构性质、力学性质、热学性质、电子结构和磁性性质;Fe基热电材料Fe XLi Sb（X=Ti,Zr,Hf）的电子传输性质、声子散射性质和热电性质。具体而言,本文的研究主要结论可以概括为以下两个方面:1.在研究Fe基磁性半金属材料Fe2-XMn1+XSi（X=0,0.25,0.5,0.75,1）的结构性质时发现拥有半金属性且稳定的结构分别为Hg2Cu Ti型（X=0,0.25和0.5）Cu2Mn Al型（X=0.75和1）,且随着组成的Fe元素的增加晶体结构的体积逐渐增加且材料从脆性变成韧性。在研究电子结构以及半金属性的来源时发现随着Fe元素的增加晶体结构子能带的费米能级从带隙的边缘逐渐移动到带隙的中间这使得材料的半金属性变得更加的稳定。我们还发现对于Full-Heusler半金属材料无论是Hg2Cu Ti型还是Cu2Mn Al型亦或是其他的高度有序的衍生结构其半金属性的来源与主要是由于A位置与C位置的过渡金属元素之间的d轨道杂化与过度元素的种类无关。在研究系列结构的磁性性质时发现磁性的来源主要是由过渡金属原子的d轨道电子所提供,且其磁矩满足广义的Slater-Pauling规则。2.目前对于Heusler合金热电材料的研究主要是以Half-Heusler合金为主,我们以18电子规则设计了Quaternary-Heusler合金Fe XLi Sb（X=Ti,Zr,Hf）。通过对Half-Heusler合金和Quaternary-Heusler合金的对比研究,发现Quaternary-Heusler合金的热电转换效率高要远远高于Half-Heusler合金,而且P型半导体材料的热电转换效率有高于N型半导体材料的潜能。通过计算了两类Heusler合金的电子结构和电子运输性质发现两种结构的靠近费米能级附近的禁带能带结构较为相似,因此P型半导体的电子传输性质也较为相似。通过晶格热力学的计算发现Quaternary-Heusler的最小晶格热导率热要比Half-Heusler合金的小。这就很好的解释了Quaternary-Heusler合金的高热电转换效率较高主要是由于晶格热导率的差异造成的。我们通过对声子散射的研究发现:（1）当体系晶胞中的原子数不断增加时,其声子谱中将会有越来越多的低速光学声子,它们会携带更多的热量。但是低速光学声子对于热传输贡献非常低,这就是Quaternary-Heusler比Half-Heusler具有更低的晶格热导率的原因之一。（2）我们计算了两类Heusler合金的格林艾森常数,发现Quaternary-Heusler比Half-Heusler有更大的格林艾森常数这表明Quaternary-Heusler比Half-Heusler有着更强的非简谐效应,因此Quaternary-Heusler比Half-Heusler具有更低的本征晶格热导率。总得来说Fe基Quaternary-Heusler合金比Half-Heusler合金拥有更高的热电转换效率,这一研究解决了P型热电材料难以实现高热电转换效率的问题,为设计高转化效率的热电材料提供了新的思路。
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