层状高效热电材料的能带与热导率双调控研究

The layered structures possess low thermal conductivity because the Van der Waals forces between layers are weak. There are conductive and insulating layers in some layered structures. This leads to high electrical conductivity and high Seebeck coefficient simultaneously for some thermoelectric materials, such as BiCuSeO, which is propitious to acquire high ZT value. In this project, the systematical investigation will be performed to study on layered structure thermoelectric materials by combining the first-principle theory and experimental approaches. The functions of different atoms and the effect of distance variations of inter-layers and intra-layers in the layered compounds will be studied by means of pressing, doping, and constructing super lattice structures. We will search for a method to decrease the correlation effect between Seebeck coefficient and electrical conductivity in the same thermoelectric materials, and further disclose the physical essence between the correlation effects. Theory calculation indicates some n-type layered structures would perform higher efficient thermoelectric properties than their p-type ones. We will explore how to synthesis these n-type layered thermoelectric materials. The successful implementation of this project will be propitious to reveal the physical essence which determines the conversion efficiency of thermoelectric materials, and will help us to find low cost, high-efficiency, and environmentally friendly thermoelectric materials through experimental synthesis.

层状热电材料的层与层之间存在比较弱的范德华力相互作用，所以晶格热导率比较低。对于BiCuSeO等一些层状热电材料来讲，它们的内部往往可以分为导电层和绝缘层，使得该类层状热电材料同时具备高的电导率和大的塞贝克系数，从而有利于获得较大的ZT值。本项目拟采用第一性原理和实验相结合的方法对层状化合物体系的热电特性展开系统而深入的研究，通过加压、掺杂、构造超晶格结构等手段，研究化合物中不同原子在该类材料中所起的作用，以及层间和层内的原子间距变化对材料的电子结构和热导率的影响。寻找一种方法来减弱晶体中塞贝克系数和电导率之间的关联效应，并揭示该关联效应减弱的物理本质是什么。本项目还将从理论计算和实验两个方面探索如何合成比p型性能更好的部分n型层状热电材料。本项目的顺利实施将有助于从理论上进一步揭示影响热电材料转换效率的内在物理本质，从理论和实验上寻找到低成本、无污染、高效率的新型热电材料。

热电材料作为一种新型的能源材料，它利用固体中载流子和声子的输运特性及其相互作用的规律，实现了热能和电能之间的直接相互转化。具有无污染、无噪音、无磨损、体积小、反应快、易于维护、安全可靠等优点，有着极其广阔的应用前景。目前热电材料存在的主要问题是其转换效率偏低，生产成本偏高，这严重阻碍了热电材料在生产和生活中的广泛应用。探索具有较高转换效率的新型热电材料具有重要的科学意义和实用价值。.本项目开展了对BiCuSeO和SnSe等材料的晶格热导率、电导率、塞贝克系数等参数的调控研究，利用VASP优化了BiCuSeO和SnSe等材料的晶体结构，同时对它们对进加压让其晶格结构发生畸变，然后利用win2k等软件来计算晶格畸变前后能带结构的变化，同时用BoltzTrap等软件计算了晶格畸变前后能输运性质的变化。.我们研究了晶格畸变对BiCuSeO、SnSe等材料的晶格热导率、电导率、塞贝克系数的影响，发现层状结构的SnSe对负的静水压特别敏感；而BiCuSeO对负的静水压不够敏感。同时，正的静水压能使BiCuSeO的带隙增大，塞贝克系数增大，电导率下降，而正的静水压会让SnSe的带隙减小，塞贝克系数减小，电导率增大，为了搞清楚在同样加正的静水压的情况下，BiCuSeO和SnSe的能带结构发生相反变化的物理机制，我们还研究了晶格畸变对CuGaTe2、LiGaTe2、AgGaTe2、Ag2O以及磷的同素异形体等材料的电子结构和输运性质的影响。.在此基础上我们找到了进一步提升BiCuSeO和SnSe等材料热电性能的有效途径。研究发现BiCuSeO在负的静水下作用下，电导率变大，热电性能有较大提升。研究还发现SnSe在正的静水压作用下，带隙会变小，随着压力的变化，其带隙能够无限减小，直至变为导体，同时还发现SnSe在静水压作用下，在较大的压力范围内都会出现能谷汇聚的现象，这种能谷汇聚的现象可以让SnSe在电导率基本不变的情况下来提高塞贝克系数，提升其热电性能，为SnSe的热电性能的调控找到了可行的方案。同时我们在CuGaTe2、AgGaTe2等材料中也发现了这种能谷汇聚的现象，为实现热电材料在生产和生活中的广泛应用提供了理论基础。