β型锑烯热电输运性质的第一性原理计算

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热、电能量之间的直接转化可以通过热电效应这一简单的物理原理直接实现,而这种直接的转化就为废热发电和热电制冷或制热提供了一个简单有效的途径。热电材料是实现这种转化的不二选择,也是一种发展前景相当好的绿色能源材料。同时研究发现,单层材料与块体材料相比,同样具有较高的ZT值,并且2015年张胜利等人在实验上也成功地制备出β型锑烯,并证明其锑烯的稳定性远高于二维黑磷。  本文利用以密度泛函理论为基础的第一性原理结合半经典玻尔兹曼输运方程,分析计算了新型材料β型锑烯的热电输运性质。我们首先计算并分析了β型锑烯在不同温度下的塞贝克系数、电导率、电子热导率随化学势、电子掺杂浓度和空穴掺杂浓度的变化;其次我们给出了β型锑烯的声子色散关系,声子群速度及声子弛豫时间随频率的变化情况和不同温度下的晶格热导率,并计算了各支声子对整个晶格热导率的贡献百分比;在文章最后我们还比较了β型锑烯在不同温度下的热电优值随化学势、电子掺杂浓度、空穴掺杂浓度的变化情况。  研究结果表明,β型锑烯是一种能够稳定存在的二维结构;三支声学声子在Γ点附近均呈近似线性变化;声学声子占整个晶格热导率的96.68%,光学声子只占据整个晶格热导率的3.32%;各支声子群速度显示出很弱的各项异性,并且由于ZA支声子在Γ点的线性关系导致其存在非零群速。就我们所研究的范围来说,对于β型锑烯而言,通过改变化学势来提高材料的热电性能是较好的方法,在费米面附近ZT值达到最大值0.275,当通过改变载流子浓度来提高热电性能时,掺杂电子会比掺杂空穴可以更好的提高热电性能,掺杂电子的ZT值可达到0.215,而掺杂空穴的ZT值只有0.06。
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