第一性原理研究金属-(V,VI,VII)族材料的热电性质及原理探索

The most fundamental challenge we face in the 21st century is the impending energy crisis. Scientists face this challenge by working to reduce fossil fuel usage, increase the usage of renewable energy resources such as solar energy, and by converting waste heat generated by power plants, vehicles or even living beings into electricity. Thermoelectric materials (TE) can directly convert waste heat into electricity, and vice versa. However, the energy-conversion efficiency of current thermoelectric materials is not high enough to make wide-spread use economical. Thus the one of the most important projects in the scientific communities is to discover the high-efficiency thermoelectric materials and explore the mechanism. In the proposal, the applicant will compute all metal-(V,VI,VII) two- or three-component compounds with unusual crystal structures and screen the environment-friendly, low-cost and high-efficiency thermoelectric materials. The high-throughput computations overcome the difficulties to synthesize and analyze the possible TE candidates during the experimental measurements, and accelerate the discovery of high-efficiency novel thermoelectric materials. On the basis of our electronic structure analyses, the applicant will explore the common physical features of discovered high-efficiency thermoelectric materials, such as crystal structures, the strengths of covalence bonds, electron transfers, lone-pair electrons and etc. This would motive us to develop a new thermoelectric theory, which is used to predict or design novel thermoelectric materials that have not been synthesized from experiments. Moreover, the semiconductor database generated by our high-throughput computations will not only be useful in the discovery of novel thermoelectric materials, but also provide significantly useful information for the other semiconductor technologies (such as solar-energy materials, optical materials, etc) and thermal insulation materials.

热电材料能够把废弃的热能转化为有用的电能，这将对能源日益紧张的今天是有益的补充。虽然热电材料有着广泛的应用前景，但是现有的热电材料依然面临着转化效率偏低的问题，因此加速寻找高效的热电材料以及探索高性能热电材料的机理是科研界面临的重要课题之一。在本项目中，申请人将通过对具有特异结构的金属-(V,VI,VII）二元以及三元化合物进行大规模理论计算以筛选出对环境友好，并且价格便宜的优秀热电材料。此方法克服了实验中材料的合成制备以及测试的困难，能够大大缩短高效热电材料的研发周期。通过对材料电子结构的分析，申请人将探索优秀热电材料所具有的物理规律，如材料结构，原子间成键，共价键强弱，电子转移，孤对电子等对热电材料性质的影响，发展相关热电材料设计理论，并以此为依据来预测或设计出实验上尚未合成过的新型热电材料。由本项目所产生的半导体材料数据库不但对热电材料，也对其他半导体产业和绝热材料有着重要的意义。

加速寻找高效的热电材料以及探索高性能热电材料的机理是科研界面临的重要课题之一。在本项目中，申请人通过对金属-(V,VI,VII）二元以及三元化合物进行大规模理论计算以筛选出优秀热电材料。此方法克服了实验中材料的合成制备以及测试的困难，能够大大缩短高效热电材料的研发周期。申请人发展了利用弹性性能高效估算材料热导率的方法，以及利用能带快速描述材料功率因子的方法。编写了高通量热电材料计算和筛选程序，TEMG（ThermoElectric Materials Genome）。应用发展的方法和高通量程序，对大量金属原子和V, VI, VII族元素所形成的二元及三元化合物进行高通量计算，对它们的热电性能进行了评估，筛选出20余种具有优秀热电性能的材料，包括ZnSe2，CuBiS2，Ca3N2、HfN2、PbI2、AuBr、Cu3VX4(X=S,Se)等。通过研究原子间成键，电子转移，以及晶体结构等方面对热电性能的影响，提出了通过分析材料的空间群和分子式来简单寻找可能的高效热电材料的方案。利用Boltzmann输运理论和Debye-Callaway模型计算了高效热电材料候选体系详细的热电性质（电导率，热导率以及Seebeck系数），从而模拟了材料的品质因数。对计算结果的能带结构、弹性性能以及晶体结构进行了详细地梳理和分析，用能态密度，电荷密度以及电荷局域函数等分析手段来研究原子间成键，共价键强弱，电子转移，孤对电子等对热电性能的影响，详细探讨了具有高效热电材料的物理机制，提出了孤对电子和原子振动协同减低热导率的理论方案，发展了相关热电材料设计理论，并以此为依据来预测或设计出实验上尚未合成过的新型热电材料，比如Cu3VTe4，Cu12Sb4(S/Se)13和Cu3V(Se/S)4。同时和实验工作者紧密的合作对具有优秀热电的材料进行研究，通过能带工程、缺陷工程以及加压的手段对热电性能做进一步的调控。由本项目不但提供了新的热电材料研究体系，而且所发展的方法及程序对今后高效热电材料的筛选和设计提供了新思路。并且本项目所产生半导体材料数据库不但对热电材料，也对其他半导体相关产业有着指导价值。