典型Zintl相材料热电理论

第1章 绪 论 1

1.1 引 言 1

1.2 热电性能的表征 2

1.2.1 热电转换效率 2

1.2.2 热电优值ZT 3

1.3 提高材料热电优值的途径 9

1.3.1 提高功率因子 9

1.3.2 降低热导率 11

1.4 本书主要研究内容 13

参考文献 19

第2章 理论基础及计算方法 22

2.1 研究背景 22

2.2 对多粒子系统的薛定谔方程的近似 23

2.2.1 非相对论近似 24

2.2.2 绝热近似 24

2.2.3 单电子近似 25

2.3 密度泛函理论 29

2.3.1 托马斯-费米模型 29

2.3.2 霍亨伯格-孔恩定理 30

2.3.3 科恩-沈吕九方程 32

2.4 交换关联泛函 34

2.4.1 局域密度近似泛函 34

2.4.2 广义梯度近似泛函 35

2.4.3 LDA （GGA）+U方法 35

2.4.4 杂化密度泛函（Hydrid Density Functional） 36

2.5 电子Boltzmann输运理论 36

2.6 本文采用的计算软件 37

2.6.1 VASP软件包 37

2.6.2 WIEN2K软件包 37

2.6.3 Phonopy 38

2.6.4 Phono3py 38

参考文献 39

第3章 Zintl相A5M2Pn6的晶格结构、电子结构和热电特性 42

3.1 As-As键对Ca5M2As6（M=Sn,Ga）电子结构和热电性质的

影响 43

3.1.1 晶格结构 44

3.1.2 电子结构 45

3.1.3 电子输运性质 51

3.1.4 热输运性质 55

3.1.5 小结 56

3.2 As-As键对化合物Ca5Ga2As6和Ca3GaAs3的电子结构和

热电特性的影响 56

3.2.1 Ca5Ga2As6和Ca3GaAs3的晶格结构 57

3.2.2 电子结构 58

3.2.3 态密度 60

3.2.4 热电特性 62

3.2.5 小结 65

3.3 Sr5Al2Sb6和Ca5Al2Sb6电子结构和热电特性差异的

微观机制 65

3.3.1 晶体结构 66

3.3.2 掺杂提高Sr5Al2Sb6的热电特性 68

3.3.3 电子结构 69

3.3.4 输运性质 73

3.3.5 小结 76

3.4 Sr5Sn2As6的电子结构和热电特性 76

3.4.1 晶体结构 77

3.4.2 弹性和热学性能 78

3.4.3 电子输运 79

3.4.4 电子结构 83

3.4.5 小结 87

参考文献 87

第4章 提高Zintl相化合物A5M2Pn6的热电特性 91

4.1 A5M2Pn6组成元素电负性的不同对热电特性的影响 91

4.1.1 晶格结构 91

4.1.2 电子结构 92

4.1.3 电输运性质 94

4.1.4 小结 96

4.2 溶质原子的溶度上限对掺杂载流子浓度的影响 96

4.2.1 电子结构 97

4.2.2 Ca5Al2Sb6的输运性质 98

4.2.3 选择合适的掺杂原子 101

4.2.4 小结 103

4.3 Pb掺杂调控能带结构改善Ca5In2Sb6的热电性能 104

4.3.1 晶格结构 104

4.3.2 热电输运性质 105

4.3.3 电子结构 107

4.3.4 Pb掺杂Ca5In2Sb6的热电特性 109

4.3.5 小结 114

参考文献 114

第5章 Zintl相A3MPn3的晶格结构、电子结构和热电特性 117

5.1 Ca3AlSb3和Sr3AlSb3中四面体不同的排布方式影响电子

结构和热电特性 117

5.1.1 晶体结构 118

5.1.2 A3AlSb3（A=Ca, Sr）的电子输运特性 120

5.1.3 电子结构 123

5.1.4 小结 125

5.2 Sr3GaSb3的电子结构和热电性质 126

5.2.1 晶格结构 126

5.2.2 输运性质 127

5.2.3 电子结构 129

5.2.4 小结 131

参考文献 132

第6章 Ba2ZnPn2及其他Zintl相化合物的电子结构和热电特性 134

6.1 Ba2ZnPn2的电子结构和热电特性 134

6.1.1 晶体结构 134

6.1.2 弛豫时间和热导率的计算 135

6.1.3 热电输运分析 136

6.1.4 电子结构 140

6.1.5 小结 143

6.2 引起Zintl相化合物Ba3Al3P5和Ba3Ga3P5热电性质差异的

微观机制 144

6.2.1 晶格结构、稳定性及化学键特征 144

6.2.2 晶格热导率 147

6.2.3 热电输运性质 149

6.2.4 电子结构 152

6.2.5 小结 155

参考文献 155

第7章 几种各向同性的弹性散射下电子结构和热电转换效率的

关系 158

7.1 Chasmar-Stratton 理论 159

7.2 在几种散射机制下材料参数β和电子结构的关系 159

7.3 简单模型 161

7.4 简单多谷模型 163

7.5 结论和展望 164

参考文献 165