第一性原理研究Sr3GaSb3、A3AlSb3(A=Ca,Sr)和Sr5Al2Sb6的結構、電子結構和熱電性質.pdf

1、熱電材料可以實現熱能和電能之間的直接轉化，并且無可移動部分和零二氧化碳排放。當今的能源挑戰(zhàn)和環(huán)境危機，使得能源材料的研究變得更加重要和緊迫。熱電材料引起了更多人的注意。Zintl相由于它們復雜的結構逐漸成為一種非常有希望的熱電材料。Zintl相化合物由電正性的離子（尤其是第一和第二主族）貢獻電子給電負性離子，同時成鍵來滿足電荷平衡。這種同時擁有離子鍵和共價鍵的結構常導致產生擁有大原胞的復雜結構，最終導致低的熱導率。另外，最重要的一點是我

2、們可以通過摻雜，來控制載流子濃度，以此來獲得最優(yōu)的熱電性質。這種方法已經在一些熱電化合物中得到闡述，比如Ca5Ga2As6、 Ca5Al2Sb6、 Sr3GaSb3和Ca3AlSb3。
　　我們使用第一性原理方法結合半經典玻爾茲曼輸運程序進行計算，并且以實驗上Sr3GaSb3、A3AlSb3(A=Ca，Sr)和Sr5Al2Sb6的結構作為初始的塊體結構，利用投影綴加平面波方法在VASP軟件包進行優(yōu)化，用來找到最穩(wěn)定的晶體結構。電子

3、結構計算是利用基于密度泛函理論的全電勢線性綴加平面波(FP-LAPW)方法進行的，利用WIEN2k軟件包完成。輸運性質采用半經典玻爾茲曼理論從WIEN2K計算的能量中求得，計算在BoltzTrap軟件中進行。
　　通過對Sr3GaSb3研究，我們發(fā)現n型Sr3GaSb3的輸運性質有可能好于p型Sr3GaSb3，主要歸因于n型摻雜的高Seebeck系數。導帶沿Γ-Y方向大的能帶簡并度導致n型Sr3GaSb3沿Γ-Y方向高的Seebe

4、ck系數。更重要的是，在850 K，n型Sr3GaSb3沿YY方向ZT值能夠達到1.74，對應的載流子濃度為3.5×1020 ecm-3。對于p型摻雜，在價帶頂較多的能帶數目有利于p型Sr3GaSb3產生高的載流子濃度。這種高的載流子濃度有助于其電導率的提高。
　　通過對A3AlSb3(A=Ca，Sr)研究，我們發(fā)現對Al位的Zn摻雜替換中，Ca3AlSb3比Sr3AlSb3擁有更低的形成能，這和Sr3AlSb3中較強的Al-Sb

5、鍵相一致，也就是說，通過Al位的Zn摻雜，Sr3AlSb3將比Ca3AlSb3更難獲得高的載流子濃度。另一方面，對于A3AlSb3，在Al位的Zn摻雜比A位的Na或者K摻雜更加容易。這是因為通過Al位的Zn摻雜形成共價鍵，比A位的Na或者K摻雜形成離子鍵要更加容易。通過對A3AlSb3的電子結構和熱電性質分析，我們發(fā)現通過摻雜，n型的Sr3AlSb3能夠在載流子濃度為4.5×1020 e cm-3時取得最大的ZT值0.77。對于p型的S

6、r3AlSb3可以通過適當的摻雜可以實現Nv等于2，有助于取得良好的熱電性質。
　　通過對Sr5AlSb6的性質研究分析，我們發(fā)現n型Sr5AlSb6的輸運性質有可能好于p型Sr5Al2Sb6，主要歸于n型摻雜下較大的能帶簡并度導致產生較高的Seebeck系數，并且在較寬的載流子濃度范圍內取得良好的熱電性質。p型Sr5Al2Sb6具有較高的電導率，歸因于在價帶頂較強的能帶彌散性，反映出較小的單能帶有效質量，有利于電子的傳輸，我們認