典型Zintl相材料热电理论

Zint相化合物是指离子键和共价键同时共存的一类化合物，因此 其种类和数量很多，一般结构较为复杂。本书主要采用第一性原理方法研究了以A5M2Pn6 为代表的 5-2-6 系列, 以A3MPn3为代表的 3-1-3系列, 和以A2MPn2为代表的2-1-2 系列这三个系列化合物的电子结构和热电特性，探究影响影响晶格结构，电子结构和热电特性的微观机制，为实验上合成高性能热电材料提供理论依据。

第1章绪 论1 1.1引 言1 1.2热电性能的表征2 1.2.1热电转换效率2 1.2.2热电优值ZT 3 1.3提高材料热电优值的途径9 1.3.1提高功率因子9 1.3.2降低热导率 11 1.4本书主要研究内容13 参考文献19 第2章理论基础及计算方法22 2.1研究背景22 2.2对多粒子系统的薛定谔方程的近似23 2.2.1非相对论近似24 2.2.2绝热近似 24 2.2.3单电子近似25 2.3密度泛函理论 29 2.3.1托马斯-费米模型 29 2.3.2霍亨伯格-孔恩定理30 2.3.3科恩-沈吕九方程32 2.4交换关联泛函 34 2.4.1局域密度近似泛函34 2.4.2广义梯度近似泛函35 2.4.3LDA （GGA）+U方法 35 2.4.4杂化密度泛函（Hydrid Density Functional）36 2.5电子Boltzmann输运理论36 2.6本文采用的计算软件37 2.6.1VASP软件包 37 2.6.2WIEN2K软件包37 2.6.3Phonopy38 2.6.4Phono3py38 参考文献39 第3章Zintl相A5M2Pn6的晶格结构、电子结构和热电特性42 3.1As-As键对Ca5M2As6（M=Sn,Ga）电子结构和热电性质的影响43 3.1.1晶格结构44 3.1.2电子结构45 3.1.3电子输运性质51 3.1.4热输运性质55 3.1.5小结56 3.2As-As键对化合物Ca5Ga2As6和Ca3GaAs3的电子结构和热电特性的影响56 3.2.1Ca5Ga2As6和Ca3GaAs3的晶格结构57 3.2.2电子结构 58 3.2.3态密度60 3.2.4热电特性62 3.2.5小结65 3.3Sr5Al2Sb6和Ca5Al2Sb6电子结构和热电特性差异的微观机制65 3.3.1晶体结构66 3.3.2掺杂提高Sr5Al2Sb6的热电特性68 3.3.3电子结构69 3.3.4输运性质73 3.3.5小结76 3.4Sr5Sn2As6的电子结构和热电特性76 3.4.1晶体结构 77 3.4.2弹性和热学性能78 3.4.3电子输运79 3.4.4电子结构83 3.4.5小结87 参考文献87 第4章提高Zintl相化合物A5M2Pn6的热电特性91 4.1A5M2Pn6组成元素电负性的不同对热电特性的影响91 4.1.1晶格结构91 4.1.2电子结构92 4.1.3电输运性质94 4.1.4小结96 4.2溶质原子的溶度上限对掺杂载流子浓度的影响96 4.2.1电子结构97 4.2.2Ca5Al2Sb6的输运性质98 4.2.3选择合适的掺杂原子101 4.2.4小结103 4.3Pb掺杂调控能带结构改善Ca5In2Sb6的热电性能104 4.3.1晶格结构 104 4.3.2热电输运性质 105 4.3.3电子结构 107 4.3.4Pb掺杂Ca5In2Sb6的热电特性109 4.3.5小结114 参考文献114 第5章Zintl相A3MPn3的晶格结构、电子结构和热电特性117 5.1Ca3AlSb3和Sr3AlSb3中四面体不同的排布方式影响电子结构和热电特性117 5.1.1晶体结构118 5.1.2A3AlSb3（A=Ca, Sr）的电子输运特性120 5.1.3电子结构123 5.1.4小结125 5.2Sr3GaSb3的电子结构和热电性质126 5.2.1晶格结构126 5.2.2输运性质127 5.2.3电子结构129 5.2.4小结131 参考文献132 第6章Ba2ZnPn2及其他Zintl相化合物的电子结构和热电特性134 6.1Ba2ZnPn2的电子结构和热电特性 134 6.1.1晶体结构 134 6.1.2弛豫时间和热导率的计算135 6.1.3热电输运分析136 6.1.4电子结构140 6.1.5小结143 6.2引起Zintl相化合物Ba3Al3P5和Ba3Ga3P5热电性质差异的微观机制144 6.2.1晶格结构、稳定性及化学键特征144 6.2.2晶格热导率147 6.2.3热电输运性质149 6.2.4电子结构152 6.2.5小结155 参考文献155 第7章几种各向同性的弹性散射下电子结构和热电转换效率的关系158 7.1Chasmar-Stratton 理论159 7.2在几种散射机制下材料参数β和电子结构的关系159 7.3简单模型161 7.4简单多谷模型 163 7.5结论和展望164 参考文献165