I-III-VI2型类金刚石化合物的能带结构调控和热电性能研究

As a new class of thermoelectric materials,Diamond-like compounds are expected for waste heat recovery and other fields. I-III-VI2 type compounds have great advantage than other diamond-like compounds because of high mobility and high crystal symmetry. However, the electrical property is lower than the traditional thermoelectric materials. Since the exist of tetrahedron structure provides an optimization platform for band structure and electrical proformance, this project intends to investigate the relationship between crystal structure and band structure of I-III-VI2 compounds by a combination of first-principles calculations and experimental method, and then reveal the fundamental mechanism for band evoluation and enegineering.Then suitable doping or solid solution approaches would be applied to improve the density of state and then optimize the electrical transport properties of the I-III-VI2 type materials. Through preparing component controllable doping or solid solution samples,we try to study the doping and solution effect on the carrier concentration and thermal conductivity, reveals the suitable doping elements, doping position and the optimized carrier concentration , finally obtain novel high-performance I-III-VI2 type thermoelectric materials with ZT> 1.3.This project is highly meaningful to deeply understand the band structure evoluation and optimization of I-III-VI2, and also to expand the scope of diamond-like thermoelectric materials.

类金刚石化合物作为一类新兴的中温区热电材料有望用于废热回收利用等领域,其中I-III-VI2型材料因高的结构对称性和载流子迁移率，比其他类金刚石材料更具优势，但其电输运性能仍远低于传统的热电材料。由于该类化合物较高的结构对称性为能带结构的调控提供了很好的平台，从而可以通过能带调控提升赛贝克系数以及优化电输运性能，因此本项目拟通过第一性原理计算和实验相结合的方法，研究揭示其晶体结构参数对能带结构的影响；在此基础上设计采用固溶的方式对其能带结构进行调控，增大其价带顶处能带的简并度，并选取恰当的离子掺杂对其载流子浓度进行优化，改善其电学性能；最终实现电性能和热导率的协同调控，获得ZT>1.3可与典型笼状结构方钴矿相当的I-III-VI2型类金刚石热电材料。本项目对深入理解类金刚石化合物能带调控机制，研发具有高性能的类金刚石化合物具有重要意义。

长期以来，热电材料科学研究主要集中在有限的高对称性立方结构材料体系。高对称的晶体结构通常在价带顶或导带底具有高度简并或多能谷结构等特点，因而具有良好的电输运性能。如何从众多的非立方结构化合物中筛选出新热电材料已成为热电材料研究的巨大挑战。 .I-III-VI2型类金刚石结构化合物的本征低热导率和可调控的电学性能使其有望成为优异的热电材料。课题承担人此前报道了四方类金刚石结构化合物CuInTe2的热电优值在850K时达到1.18，从而使类金刚石结构化合物的热电性能可与传统的热电材料相媲美。然而，非立方结构类金刚石化合物中高热电优值的机理尚不清楚，限制了其它众多具有类似非立方结构化合物的探索和设计。.课题以非立方黄铜矿结构（四方结构）类金刚石化合物为例，通过基于材料基因组工程的理论计算并结合实验，通过阐明结构参数与晶体能带劈裂的固有关系，提出了类金刚石化合物四方因子~1的遴选规则，从而实现对具有优异热电性能的类金刚石化合物的高通量筛选；同时通过赝立方结构设计在四方相等低对称结构化合物中实现了类似立方相的能带简并结构，显著优化了类金刚石化合物的电输运性能，从而获得固溶赝立方相（Cu/Ag）InTe2的ZT值达到了1.5以上。.赝立方设计理念提出有助于新型非立方材料的性能优化，从而拓展了热电材料的研究范围；共发表SCI论文7篇，培养硕士和博士生各1名，全面完成项目目标。