高压提高Ga-Ge基笼型物热电效率的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法并结合半经典的玻尔玆曼输运理论，研究利用高压手段提高Ga-Ge基笼形物A8Ga16Ge30(A=Mg，Ca，Sr，Ba，Eu，Yb)的热电效率。高的热电效率要求材料有高的电导率、Seebeck系数和低的晶格热导率。我们将从电子结构角度揭示高压提高电导率与Seebeck系数的根源；通过晶格振动行为的模拟找到在高压下仍具有低晶格热导率的物质并解释物理原因；并最终计算热电效率ZT值，找到在特定挤压条件下具有最高热电效率的某个或某几个材料。本研究将为探索提高Ga-Ge基笼形物的热电效率提供新思路。

我们采用基于密度泛函理论的第一性原理方法并结合半经典的玻尔玆曼输运理论，从电子结构、晶格振动、输运系数三个角度系统研究了静水压和单轴挤压对于A8Ga16Ge30(A=Ca,Sr,Ba)体系热电效率提高的可行性。静水压对能带结构的影响并不大，使Seebeck系数与电导率保持基本不变，但是静水压会升高低频声学声子的振动频率进而使晶格热导率升高，所以静水压作用会降低此类物质的热电效率ZT值。只沿着晶体学Z方向的单轴挤压能够对晶体结构产生较大的影响，使Z方向晶胞参数减小，X、Y方向晶胞参数变大。对于价带而言单轴挤压能够使价带边的不同方向上同时具有随k矢量变化的平缓和陡峭的能带，这种强烈的各向异性能够使A8Ga16Ge30在保持高的Seebeck系数的同时还具有高的电导率。这种对价带边积极的改变不因A原子的不同而有所改变，这是因为价带边主要有Ga、Ge原子的电子态来决定。常压下GaGe原子间的电荷成共价键并且极性很弱，单轴挤压使这些电荷分布不均，更倾向沿着垂直于挤压方向水平分布。单轴挤压也会使导带边的能量随着k矢量变得更加陡峭，但是单轴挤压使得具有高能态密度的平缓能带向高能量方向移动远离导带，所以单轴挤压不能够使N型材料在保持高的电导率的同时还有高的Seebeck系数。但是单轴挤压能够使N型样品的热电效率ZT值保持不变。此外，随着A原子尺寸的增大，单轴挤压对导带边形貌的改变越来越小。由于单轴挤压使得晶胞可以沿着垂直于挤压方向自由伸展，所以单轴挤压并没有升高低频声学声子的振动频率，有意思的是单轴挤压在一定程度上增大了高频声学模与低频光学模的耦合程度有利于晶格热导率的降低。利用玻尔玆曼输运理论经过计算，得到在单轴挤压下P型样品的热电效率ZT值可以提高到常压下的2倍以上。这充分表明单轴挤压是提高P型样品热电效率的有效手段。