共振散射优化p型IV-VI材料热电性能的研究

Thermoelectric materials, with the capability of direct convertion between heat and electricity, is still in limited application due to low . Because of the amorphous-like lattice thermal conductivity, there remains very finite space for improving of from reducing thermal conductivity. However, much attention has been drawn to the alternate way of enhancing power factor for higher .Appropriate dopant in IV-VI materials would create resonant states superimposed in the conduction or valence band, and cause resonant scattering which can enhance power factor under proper condition. Using the methods of the First Principle calculation and experimental research, this project would like to tune the location of resoant bands, the occupation of it, and the alignment with Fermi Level, to insure the occurrence of resonant scattering at high temperature. In this research, tuning technology of resonant scattering, and full understanding of the mechanism should be achieved for higher peak and average . Also, the effects of resonant scattering and crystal defects on the thermal conductivity would be explored.

热电材料可实现热能与电能之间直接转换，但偏低的热电优值 限制了其应用。由于热电材料晶格热导率已可低至非晶极限，从降低晶格热导率的途径提升 的方法正面临空间不大的困境，因而如何从提高热电功率因子的途径提升 的方法正广受关注。在IV-VI材料中适当掺杂可在其能带中形成共振能带并引起共振散射，适当条件下将提高功率因子。本项目拟采用第一性原理计算和实验研究结合的方法，通过材料成分来调控共振能带的位置、空穴填充率和费米能级，确保高温下发生共振散射；形成共振散射的调控技术，了解相关机理；研究共振散射和晶格缺陷对热导率的影响；提高峰值 和平均 。

本项目研究在IV-VI族材料中掺入特定元素形成共振能级，并依靠载流子在共振能级与基体能级之间交换时发生动量变换而形成对载流子的散射，即共振散射来实现对热电性能的优化。理论方面，在单抛物能带基础上，项目组建立了包含共振散射的载流子输运模型。该模型模拟表明，当共振能级在带顶之下或带底之上6 KBT，且费米能级比共振能级高约2 KBT时，材料功率因子将比没有共振散射的情况提高3.5倍左右，且由于电导率和洛仑兹常数的降低，电子热导率将降低约50%。可见，共振散射对热电性能的优化是很显著的。第一原理模拟方面，研究表明Tl在PbTe中，Al、In在SnTe中能形成共振能级；用Se部分取代PbTe、SnTe中的Te，将使布里渊区中L点能带下移，Tl或Al、In形成的共振能级将向禁带方向移动；同时，Na、K等在IV-VI族材料中不形成共振能级，但将对费米能级位置产生影响。实验研究方面，GeTe中掺入Bi、Pb等元素不能形成共振能级，仅能调控载流子浓度，但ZT值达到2左右；SnTe中掺入Al、In后，在价带形成共振能级，ZT值能达到0.8~1.1左右，但未能观察到共振散射；通过掺杂在IV-VI族材料的价带中形成的共振能级一般在价带顶下0~0.2 eV左右，其位置随IV位或IV位替位合金化及温度升高向而价带顶移动。当此能级移动进入禁带后，失去对热电性能的优化作用；实验表明，在IV-VI族材料中掺入的Tl、Al、In等元素形成的共振能级在共掺入其他载流子浓度控制元素后，表现出一定程度的施主行为，使得增加载流子浓度以达到费米能级高于共振能级2 KBT的目标难以实现，因而在研究中实际上没有观察到共振散射对热电性能的优化。因此，在掺杂方法之外，寻找另外的共振能级构造方法来实现共振能级和费米能级位置的独立调控，以使共振散射真正优化热电性能，是未来的研究重点。