利用拓扑表面态调控辉碲铋矿族化合物热电性能的理论研究

It has been recognized that some of good thermoelectric materials such as tetradymites Bi2Te3, Bi2Se3, and Sb2Te3 also belong to a new class of quantum materials named topological insulators. This novel quantum form of matter supports unique topological surface states which are protected by time-reversal symmetry, and shares several essential materials features with good thermoelectric materials such as containing heavy elements and having small band gaps. However, whether these two classes of materials are inherently connected remains mysterious and conceptually perplexing. In this proposal, we combine first-principles calculations and Boltzmann transport theory to study the thermoelectric transport properties of several binary and multi-component tetradymites in connection with their topological insulating properties. We will focus on how to effectively tune the thermoelectric performance of tetradymites by utilizing their topological surface states, including the effects of time-reversal-invariant perturbation (such as nonmagnetic impurities or disorders), the stress-induced topological phase transition, and the consideration of substrate etc. which could be used to optimize the surface and bulk transport. It is expected that such new design and optimization strategies will not only significantly enhance the thermoelectric figure-of-merit of tetradymites, but also potentially bridge the long-standing asymmetry of p- and n-type systems, which may prove to be instrumental in the experimental search of high-performance thermoelectric materials and devices.

近年来人们逐渐认识到，性能良好的热电材料如辉碲铋矿族化合物Bi2Te3、Bi2Se3、Sb2Te3等也属于一类新的量子材料即拓扑绝缘体。拓扑绝缘体具有受时间反演对称性保护的表面态，它和热电材料共有一些基本的材料特征，如由重元素组成、能隙较小等。然而，这两类材料之间是否有更深层次的内在联系目前仍然不甚清晰。本项目将采用第一性原理结合玻尔兹曼输运理论，系统研究若干二元和多元辉碲铋矿族化合物的热电输运性质与其拓扑绝缘性质的关系，重点阐明如何利用拓扑表面态有效调控体系的热电性能，包括引入非磁杂质或无序等时间反演不变微扰、施加应力诱导拓扑相变、考虑衬底对表面态和体态输运性质的影响等等。通过这种新的材料设计和性能优化策略，我们有望大幅度提高辉碲铋矿族化合物的热电优值，同时解决长期以来该体系中存在的热电性能p-n不对称的问题，为实验上探索高性能热电材料及其器件研究提供一些可以借鉴的努力方向。

Bi2Te3薄膜的拓扑表面态与体态输运存在竞争关系，它们与量子限制效应耦合在一起，导致热电性能随厚度的变化出现令人惊奇的非单调行为。有效利用拓扑表面态不仅可以显著提高Bi2Te3拓扑绝缘体薄膜的热电性能，还可以解决长期以来该体系热电性能的p-n不对称问题，为探索高性能热电材料及其器件研究提供了一个新思路。考虑vdW泛函后，菱面体结构的Sb2Se3出现明显的能带反转，也是一个强拓扑绝缘体。研究表明，只有在计算中明确考虑vdW泛函，我们才可以准确预测辉碲铋矿族化合物这类层状材料的晶体结构、能带结构、以及拓扑特性。为了能够有效利用拓扑表面态调控材料的热电性能，我们提出了一个快速筛选三维拓扑绝缘体的简单有效判据。该判据与自旋轨道耦合效应引起的能带反转机制密切相关，只需要组成元素的两个基本物理参数，即原子序数和电负性就可以唯一确定，完全不用复杂的第一性原理计算。当表面态与体态弛豫时间之比增加到1000时，无论是n型还是p型Bi纳米带的ZT值都可以优化到3.0，达到了热电工业应用的门槛。根据S原子的占位不同，三元辉碲铋矿族化合物Sb2Se2S可分为有、无反演中心这两种结构，二者带隙接近，但前者是拓扑绝缘体，后者是普通绝缘体。对它们热电性能进行比较研究，为深入理解拓扑与热电之间的关联具有很好的示范作用。我们全面研究了243个由第五主族元素（As、Sb、Bi）和第六主族元素（S、Se、Te）任意组合成的二元、三元、四元、五元辉碲铋矿族化合物的能带结构和拓扑性质，最终得到152个稳定的体系，包括67个拓扑绝缘体和85个普通绝缘体。以此作为训练集，利用先进的机器学习方法，我们得到一个可以完美区分拓扑绝缘体和普通绝缘体的二维描述符，为探索具有任意化学计量比和任意原子排列的辉碲铋矿族化合物热电性能提供了一个新的努力方向。进一步，我们还利用该方法获得了表征弛豫时间与组成元素基本属性之间定量关系的描述符，对于高性能热电材料的设计、特别是利用拓扑表面态优化体系的热电性能具有明确的指导意义。