钙硅基热电材料的结构与热电性能关系的理论研究

热电材料是一类利用Seebeck效应和Peltier效应实现热能和电能相互转换的新兴能源材料。热电材料具有寿命长、无噪声、静态制冷、无污染、材料性能可靠等优点，具有广阔的应用前景。现有材料的性能尚不能得到大规模工业应用的要求，寻找高性能热电材料特别是新材料体系近年来尤其收到关注。金属硅化物由于其无毒且资源丰富，探索它们作为新型环境友好的热电材料备受关注。本项目以具有六角结构的Ca3Si4碱土金属硅化物半导体为研究对象，采用第一原理计算、分子动力学和Boltzmann理论相结合的方法，研究二元化合物的结构稳定性、电子结构性能以及Seebeck系数、电导率、热导系数等热电性能；探索不同元素替代形成Ca3Si4基三元与多元的化合物存在的可能性，对可能存在的三元和多元化合物的电子结构特性和热电性能进行研究，揭示材料的电子结构特性和热电性能之间的关系。

随着经济的发展和社会的进步，能源需求将进一步增大。在能源需求逐步增加及环境污染日趋严重的今天，新能源的开发是关系到国民生计及经济发展的重大课题。具有将热能和电能直接转化的热电材料而备受关注，本项目旨在对新发现环境友好的半导体化合物Ca3Si4等化合物的物理性能及Ca3Si4在掺杂情况下的物理性能特别是电子结构和热电性能进行研究。研究从以下几个方面展开：（1）综合利用第一原理计算、Phonopy软件、Boltzmann理论以及Debye模型对Ca3Si4的热力学稳定性、弹性性质、电子结构、晶格动力学、电热输运性质及热物理性能进行了全面的模拟计算和预测；（2）利用Na、Mg、Al、Mn、Fe、Mo、Re和La对Ca3Si4中的Ca进行替换掺杂，利用Ge和Sn对Ca3Si4中的Si进行替换掺杂，以及对Ca和Si同时利用上述原子进行替换掺杂。计算了这些掺杂化合物的稳定性、电子结构特性以及电热输运性质。研究发现了Mg和Fe掺杂的Ca3Si4化合物具有半导体特性，其他都呈现金属特性。（3）利用第一原理等方法对Ca5X3（X=Si, Ge, Zn），V5Si3，TiSiY， XAs（X=Al, Ga, In），ZnSb等化合物进行了热力学稳定性、弹性常数、电子结构特性、晶格动力学性质、介电性质以及热物理性能等的计算模拟和预测，获得了大量的有理论价值的科学数据。（4）结合第一原理计算、CALPHAD技术以及实验手段对Au-Ho、Au-Tm、Au-Ce-Sn以及Au-Cu-Sn等四个体系进行了热力学优化，获得了高度自洽的热力学参数，为Au基电子封装材料的进一步开发奠定了基础。