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CuGaTe2和CuInTe2的电子和热电性质的第一性原理研究

薛丽 任一鸣

CuGaTe2和CuInTe2的电子和热电性质的第一性原理研究

薛丽, 任一鸣
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  • 热电材料是通过载流子作用实现热能和电能直接转换的功能材料,在能源、环境、国防等领域具有重要应用. 如何提高材料的转换效率是目前热电材料研究的关键. 最近发现,三元黄铜矿I-III-IV2(I=Ag,Cu;III=Al,Ga,In;IV=S,Se,Te)是一类潜在的高性能热电材料,其结构独特,可通过多种途径优化其性能. 本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法系统地研究CuGaTe2和CuInTe2的电子特性,为提高其热电效率提供新思路. 研究发现改进的Becke Johnson-广义梯度近似比广义梯度近似交换关联近似计算的能隙值更接近实验值. 基于玻尔兹曼理论研究了体系热电性质,发现通过优化载流子的浓度可以改善体系的热电性. 通过拟合计算的晶格热导率发现,在300-800 K,CuGaTe2和CuInTe2的晶格热导率和温度成反比,表明其晶格热导率主要来源于声子散射,并且声子散射又是以Umklapp散射为主. CuGaTe2在700 K的热电优值ZT 可以达到0.63,远大于其他Te类材料的ZT值.
      通信作者: 薛丽, xueli0610@163.com
    • 基金项目: 湖北科技学院博士启动基金(批准号:BK1427)、湖北省科技厅项目(批准号:2013CFB038)和国家自然科学基金(批准号:11304105)资助的课题.
    [1]

    Charoenphakdee A, Kurosaki K, Muta H, Uno M, Yamanaka S 2009 Mater. Trans. 50 1603

    [2]

    Yusufu A, Kurosaki K, Kosuga A, Sugahara T, Ohishi Y, Muta H, Yamanaka S 2011 Appl. Phys. Lett. 99 061902

    [3]

    Plirdpring T, Kurosaki K, Kosuga A, Day T, Firdosy S, Ravi V, Muta H 2012 Adv. Mater. 24 3622

    [4]

    Liu R, Xi L, Liu H, Shi X, Zhang W, Chen L 2012 Chem. Commun. 48 3818

    [5]

    Zhu Y, Zhang X Y, Zhang S H, Ma M Z, Liu R P, Tian H Y 2015 Acta Phys. Sin. 64 77103 (in Chinese) [朱岩, 张新宇, 张素红, 马明臻, 刘日平, 田宏燕 2015 物理学报 64 77103]

    [6]

    Sun Z, Chen S P, Yang J F, Meng Q S, Cui J L 2014 Acta Phys. Sin. 63 057201 (in Chinese) [孙政, 陈少平, 杨江锋, 孟庆森, 崔教林 2014 物理学报 63 057201]

    [7]

    Xue L, Xu B, Yi L 2014 Chin. Phys. B 23 037103

    [8]

    Blaha P Schwarz K, Madsen G K H Kvasnicka D, Luitz J 2001 WIEN2K, An Augmented Plane Wave+Local Orbitals Pro-gram for Calculating Crystal Properties (Wien, Austria: K Schwarz, Tech. Univ.)

    [9]

    Madsen G K H, Singh D J 2006 Comput. Phys. Commun. 175 67

    [10]

    Bodnar I V, Orlova N S {1986 Cryst. Res. Technol 21 109

    [11]

    Avon J E Yoodee K, Woolley J C 1984 J. Appl. Phys. 55 524

    [12]

    Johnson E R, Becke A D 2006 J. Chem. Phys. 124 174104

    [13]

    Zhang X Z, Shen K S, Jiao Z Y, Huang X F 2013 Comput. Theor. Chem. 1010 67

    [14]

    Jaffe J E, Zunger A 1983 Phys. Rev. B 28 5822

    [15]

    Singh D J, Mazin I I 1997 Phys. Rev. B 56 R1650

    [16]

    Tao X, Jund P, Colinet C, Tedenac J C 2009 Phys. Rev. B 80 104103

    [17]

    Verma A S, Sharma S, Bhandari R, Sarkar B K, Jindal V K 2012 Mater. Chem. Phys. 132 416

    [18]

    Bachmann K J, Hsu F S L, Thiel F A, Kasper H M 1977 J. Electron. Mater. 6 431

    [19]

    Kumar V, Tripathy S K 2014 J. Alloys Compd. 582 101

    [20]

    Shao D Y, Hui Q, Li X, Chen J J, Li C M, Cheng N P {2015 Acta Phys. Sin. 64 207102 (in Chinese) [邵栋元, 惠群, 李孝, 陈晶晶, 李春梅,程南璞 2015 物理学报 64 207102]

    [21]

    Ouahrani T, Otero-de-la-Roza A, Reshak A H, Khenata R, Faraoun H I, Amrani B, Luaa V 2010 Physica B 405 3658

    [22]

    Verma A S, Bhardwaj S R 2006 Phys. Stat. Sol. 243 4025

    [23]

    Schreiber E, Orson L 1974 Elastic Constants and their Measurement(Mishawaka: Better World Books)

    [24]

    Huang K, Han L Q 1998 Solid-state Physics (Beijing: Higher Education Press) p125 (in Chinese) [黄昆, 韩汝琦 1988 固体物理学 (北京: 高等教育出版) 第 125页]

    [25]

    Zou D F Xie S H, Liu Y Y, Lin J G, Li J Y 2013 J. Alloys Compd. 570 150

    [26]

    Leibfried G, Schlomann E {1954 Nachr. Akad. Wiss. Gottingen Math-physik Kl. 2a 4 71

    [27]

    Tang X F, Xie W J, Li H, Zhao W Y, Zhang Q J 2007 Appl. Phys. Lett. 90 12102

    [28]

    LaLonde A D, Pei Y, Wang H, Snyder G J 2011 Mater. Today 14 526

    [29]

    Ong K P, Singh D J Wu P 2011 Phys. Rev. B 83 115110

  • [1]

    Charoenphakdee A, Kurosaki K, Muta H, Uno M, Yamanaka S 2009 Mater. Trans. 50 1603

    [2]

    Yusufu A, Kurosaki K, Kosuga A, Sugahara T, Ohishi Y, Muta H, Yamanaka S 2011 Appl. Phys. Lett. 99 061902

    [3]

    Plirdpring T, Kurosaki K, Kosuga A, Day T, Firdosy S, Ravi V, Muta H 2012 Adv. Mater. 24 3622

    [4]

    Liu R, Xi L, Liu H, Shi X, Zhang W, Chen L 2012 Chem. Commun. 48 3818

    [5]

    Zhu Y, Zhang X Y, Zhang S H, Ma M Z, Liu R P, Tian H Y 2015 Acta Phys. Sin. 64 77103 (in Chinese) [朱岩, 张新宇, 张素红, 马明臻, 刘日平, 田宏燕 2015 物理学报 64 77103]

    [6]

    Sun Z, Chen S P, Yang J F, Meng Q S, Cui J L 2014 Acta Phys. Sin. 63 057201 (in Chinese) [孙政, 陈少平, 杨江锋, 孟庆森, 崔教林 2014 物理学报 63 057201]

    [7]

    Xue L, Xu B, Yi L 2014 Chin. Phys. B 23 037103

    [8]

    Blaha P Schwarz K, Madsen G K H Kvasnicka D, Luitz J 2001 WIEN2K, An Augmented Plane Wave+Local Orbitals Pro-gram for Calculating Crystal Properties (Wien, Austria: K Schwarz, Tech. Univ.)

    [9]

    Madsen G K H, Singh D J 2006 Comput. Phys. Commun. 175 67

    [10]

    Bodnar I V, Orlova N S {1986 Cryst. Res. Technol 21 109

    [11]

    Avon J E Yoodee K, Woolley J C 1984 J. Appl. Phys. 55 524

    [12]

    Johnson E R, Becke A D 2006 J. Chem. Phys. 124 174104

    [13]

    Zhang X Z, Shen K S, Jiao Z Y, Huang X F 2013 Comput. Theor. Chem. 1010 67

    [14]

    Jaffe J E, Zunger A 1983 Phys. Rev. B 28 5822

    [15]

    Singh D J, Mazin I I 1997 Phys. Rev. B 56 R1650

    [16]

    Tao X, Jund P, Colinet C, Tedenac J C 2009 Phys. Rev. B 80 104103

    [17]

    Verma A S, Sharma S, Bhandari R, Sarkar B K, Jindal V K 2012 Mater. Chem. Phys. 132 416

    [18]

    Bachmann K J, Hsu F S L, Thiel F A, Kasper H M 1977 J. Electron. Mater. 6 431

    [19]

    Kumar V, Tripathy S K 2014 J. Alloys Compd. 582 101

    [20]

    Shao D Y, Hui Q, Li X, Chen J J, Li C M, Cheng N P {2015 Acta Phys. Sin. 64 207102 (in Chinese) [邵栋元, 惠群, 李孝, 陈晶晶, 李春梅,程南璞 2015 物理学报 64 207102]

    [21]

    Ouahrani T, Otero-de-la-Roza A, Reshak A H, Khenata R, Faraoun H I, Amrani B, Luaa V 2010 Physica B 405 3658

    [22]

    Verma A S, Bhardwaj S R 2006 Phys. Stat. Sol. 243 4025

    [23]

    Schreiber E, Orson L 1974 Elastic Constants and their Measurement(Mishawaka: Better World Books)

    [24]

    Huang K, Han L Q 1998 Solid-state Physics (Beijing: Higher Education Press) p125 (in Chinese) [黄昆, 韩汝琦 1988 固体物理学 (北京: 高等教育出版) 第 125页]

    [25]

    Zou D F Xie S H, Liu Y Y, Lin J G, Li J Y 2013 J. Alloys Compd. 570 150

    [26]

    Leibfried G, Schlomann E {1954 Nachr. Akad. Wiss. Gottingen Math-physik Kl. 2a 4 71

    [27]

    Tang X F, Xie W J, Li H, Zhao W Y, Zhang Q J 2007 Appl. Phys. Lett. 90 12102

    [28]

    LaLonde A D, Pei Y, Wang H, Snyder G J 2011 Mater. Today 14 526

    [29]

    Ong K P, Singh D J Wu P 2011 Phys. Rev. B 83 115110

  • [1] 张镜水, 孔令琴, 董立泉, 刘明, 左剑, 张存林, 赵跃进. 太赫兹互补金属氧化物半导体场效应管探测器理论模型中扩散效应研究. 物理学报, 2017, 66(12): 127302. doi: 10.7498/aps.66.127302
    [2] 王鸿翔, 应鹏展, 杨江锋, 陈少平, 崔教林. Mn掺杂后三元黄铜矿结构半导体CuInTe2的缺陷特征与热电性能. 物理学报, 2016, 65(6): 067201. doi: 10.7498/aps.65.067201
    [3] 刘海云, 刘湘涟, 田定琪, 杜正良, 崔教林. 含硫宽禁带Ga2Te3基热电半导体的声电输运特性. 物理学报, 2015, 64(19): 197201. doi: 10.7498/aps.64.197201
    [4] 王拓, 陈弘毅, 仇鹏飞, 史迅, 陈立东. 具有本征低晶格热导率的硫化银快离子导体的热电性能. 物理学报, 2019, 68(9): 090201. doi: 10.7498/aps.68.20190073
    [5] 王爱玲, 毋志民, 王聪, 胡爱元, 赵若禺. 新型稀磁半导体Mn掺杂LiZnAs的第一性原理研究. 物理学报, 2013, 62(13): 137101. doi: 10.7498/aps.62.137101
    [6] 周晶晶, 陈云贵, 吴朝玲, 郑欣, 房玉超, 高涛. 新型轻质储氢材料的第一性原理原子尺度设计. 物理学报, 2009, 58(7): 4853-4861. doi: 10.7498/aps.58.4853
    [7] 孙正昊, 向鹏, 兰民, 孙源, 明星, 孟醒, 陈岗. 多铁材料BaCoF4电子结构的第一性原理研究. 物理学报, 2009, 58(8): 5653-5660. doi: 10.7498/aps.58.5653
    [8] 潘志军, 张澜庭, 吴建生. 掺杂半导体β-FeSi2电子结构及几何结构第一性原理研究. 物理学报, 2005, 54(11): 5308-5313. doi: 10.7498/aps.54.5308
    [9] 侯清玉, 张 跃, 张 涛. 高氧空位简并锐钛矿TiO2半导体电子寿命的第一性原理研究. 物理学报, 2008, 57(5): 3155-3159. doi: 10.7498/aps.57.3155
    [10] 陈珊, 吴青云, 陈志高, 许桂贵, 黄志高. ZnO1-xCx稀磁半导体的磁特性的第一性原理和蒙特卡罗研究. 物理学报, 2009, 58(3): 2011-2017. doi: 10.7498/aps.58.2011
    [11] 陈国祥, 樊晓波, 李思琦, 张建民. 碱金属和碱土金属掺杂二维GaN材料电磁特性的第一性原理计算. 物理学报, 2019, 68(23): 237303. doi: 10.7498/aps.68.20191246
    [12] 尚家香, 于潭波. NiAl和Cr材料中H原子间隙的第一性原理计算. 物理学报, 2009, 58(2): 1179-1184. doi: 10.7498/aps.58.1179
    [13] 刘颖, 刘显坤, 钱达志, 郑洲. He原子掺杂铝材料的第一性原理研究. 物理学报, 2010, 59(9): 6450-6456. doi: 10.7498/aps.59.6450
    [14] 李青坤, 孙毅, 周玉, 曾凡林. 第一性原理研究hcp-C3碳体环材料的力学性质. 物理学报, 2012, 61(4): 043103. doi: 10.7498/aps.61.043103
    [15] 李青坤, 孙毅, 周玉, 曾凡林. 第一性原理研究bct-C4碳材料的强度性质. 物理学报, 2012, 61(9): 093104. doi: 10.7498/aps.61.093104
    [16] 侯清玉, 赵春旺, 金永军. Al-2N高共掺浓度对ZnO半导体导电性能影响的第一性原理研究. 物理学报, 2009, 58(10): 7136-7140. doi: 10.7498/aps.58.7136
    [17] 侯滨朋, 淦作亮, 雷雪玲, 钟淑英, 徐波, 欧阳楚英. 第一性原理对氮掺杂石墨烯作为锂-空电池阴极材料还原氧分子的机理研究. 物理学报, 2019, 68(12): 128801. doi: 10.7498/aps.68.20190181
    [18] 张辉, 张国英, 肖明珠, 路广霞, 张轲, 朱圣龙. 金属元素替代对Li4BN3H10储氢材料释氢影响机理的第一性原理研究. 物理学报, 2011, 60(4): 047109. doi: 10.7498/aps.60.047109
    [19] 杨艳敏, 李佳, 马洪然, 杨广, 毛秀娟, 李聪聪. Co2-基Heusler合金Co2FeAl1–xSix(x = 0.25, x = 0.5, x = 0.75)的结构、电子结构及热电特性的第一性原理研究. 物理学报, 2019, 68(4): 046101. doi: 10.7498/aps.68.20181641
    [20] 吴子华, 谢华清, 曾庆峰. Ag-ZnO纳米复合热电材料的制备及其性能研究. 物理学报, 2013, 62(9): 097301. doi: 10.7498/aps.62.097301
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出版历程
  • 收稿日期:  2016-03-23
  • 修回日期:  2016-05-31
  • 刊出日期:  2016-08-05

CuGaTe2和CuInTe2的电子和热电性质的第一性原理研究

  • 1. 湖北科技学院电子与信息工程学院, 咸宁 437000
  • 通信作者: 薛丽, xueli0610@163.com
    基金项目: 

    湖北科技学院博士启动基金(批准号:BK1427)、湖北省科技厅项目(批准号:2013CFB038)和国家自然科学基金(批准号:11304105)资助的课题.

摘要: 热电材料是通过载流子作用实现热能和电能直接转换的功能材料,在能源、环境、国防等领域具有重要应用. 如何提高材料的转换效率是目前热电材料研究的关键. 最近发现,三元黄铜矿I-III-IV2(I=Ag,Cu;III=Al,Ga,In;IV=S,Se,Te)是一类潜在的高性能热电材料,其结构独特,可通过多种途径优化其性能. 本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法系统地研究CuGaTe2和CuInTe2的电子特性,为提高其热电效率提供新思路. 研究发现改进的Becke Johnson-广义梯度近似比广义梯度近似交换关联近似计算的能隙值更接近实验值. 基于玻尔兹曼理论研究了体系热电性质,发现通过优化载流子的浓度可以改善体系的热电性. 通过拟合计算的晶格热导率发现,在300-800 K,CuGaTe2和CuInTe2的晶格热导率和温度成反比,表明其晶格热导率主要来源于声子散射,并且声子散射又是以Umklapp散射为主. CuGaTe2在700 K的热电优值ZT 可以达到0.63,远大于其他Te类材料的ZT值.

English Abstract

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