第一性原理研究Sr3GaSb3、A3AlSb3(A=Ca,Sr)和Sr5Al2Sb6的结构、电子结构和热电性质

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热电材料可以实现热能和电能之间的直接转化,并且无可移动部分和零二氧化碳排放。当今的能源挑战和环境危机,使得能源材料的研究变得更加重要和紧迫。热电材料引起了更多人的注意。Zintl相由于它们复杂的结构逐渐成为一种非常有希望的热电材料。Zintl相化合物由电正性的离子(尤其是第一和第二主族)贡献电子给电负性离子,同时成键来满足电荷平衡。这种同时拥有离子键和共价键的结构常导致产生拥有大原胞的复杂结构,最终导致低的热导率。另外,最重要的一点是我们可以通过掺杂,来控制载流子浓度,以此来获得最优的热电性质。这种方法已经在一些热电化合物中得到阐述,比如Ca5Ga2As6、 Ca5Al2Sb6、 Sr3GaSb3和Ca3AlSb3。  我们使用第一性原理方法结合半经典玻尔兹曼输运程序进行计算,并且以实验上Sr3GaSb3、A3AlSb3(A=Ca,Sr)和Sr5Al2Sb6的结构作为初始的块体结构,利用投影缀加平面波方法在VASP软件包进行优化,用来找到最稳定的晶体结构。电子结构计算是利用基于密度泛函理论的全电势线性缀加平面波(FP-LAPW)方法进行的,利用WIEN2k软件包完成。输运性质采用半经典玻尔兹曼理论从WIEN2K计算的能量中求得,计算在BoltzTrap软件中进行。  通过对Sr3GaSb3研究,我们发现n型Sr3GaSb3的输运性质有可能好于p型Sr3GaSb3,主要归因于n型掺杂的高Seebeck系数。导带沿Γ-Y方向大的能带简并度导致n型Sr3GaSb3沿Γ-Y方向高的Seebeck系数。更重要的是,在850 K,n型Sr3GaSb3沿YY方向ZT值能够达到1.74,对应的载流子浓度为3.5×1020 ecm-3。对于p型掺杂,在价带顶较多的能带数目有利于p型Sr3GaSb3产生高的载流子浓度。这种高的载流子浓度有助于其电导率的提高。  通过对A3AlSb3(A=Ca,Sr)研究,我们发现对Al位的Zn掺杂替换中,Ca3AlSb3比Sr3AlSb3拥有更低的形成能,这和Sr3AlSb3中较强的Al-Sb键相一致,也就是说,通过Al位的Zn掺杂,Sr3AlSb3将比Ca3AlSb3更难获得高的载流子浓度。另一方面,对于A3AlSb3,在Al位的Zn掺杂比A位的Na或者K掺杂更加容易。这是因为通过Al位的Zn掺杂形成共价键,比A位的Na或者K掺杂形成离子键要更加容易。通过对A3AlSb3的电子结构和热电性质分析,我们发现通过掺杂,n型的Sr3AlSb3能够在载流子浓度为4.5×1020 e cm-3时取得最大的ZT值0.77。对于p型的Sr3AlSb3可以通过适当的掺杂可以实现Nv等于2,有助于取得良好的热电性质。  通过对Sr5AlSb6的性质研究分析,我们发现n型Sr5AlSb6的输运性质有可能好于p型Sr5Al2Sb6,主要归于n型掺杂下较大的能带简并度导致产生较高的Seebeck系数,并且在较宽的载流子浓度范围内取得良好的热电性质。p型Sr5Al2Sb6具有较高的电导率,归因于在价带顶较强的能带弥散性,反映出较小的单能带有效质量,有利于电子的传输,我们认为Sr5Al2Sb6可能是很好的热电材料。
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