典型Zintl相材料熱電理論

定　價：￥68.00

作　者：	閆玉麗馮真真張光彪
出版社：	科學技術文獻出版社
叢編項：
標　簽：	暫缺

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ISBN：	9787518983131	出版時間：	2022-09-01	包裝：	平裝-膠訂
開本：	16開	頁數(shù)：		字數(shù)：

內(nèi)容簡介

　　自20世紀70年代以來，在以原油價格暴漲為標志的“能源危機”之后，社會上又相繼出現(xiàn)以臭氧層破壞和溫室氣體效應為首的“全球變暖危機”。為此，各國科學家都在致力于尋求高效、無污染的新的能量轉化利用方式。熱電材料作為一種新型的綠色能源材料，可以達到合理有效利用工農(nóng)業(yè)余熱及廢熱、汽車廢氣、地熱、太陽能及海洋溫差等能量的目的。它利用固體中載流子和聲子的輸運及其相互作用，實現(xiàn)熱能和電能之間的直接相互轉化，具有無污染、無噪聲、無磨損、體積小、反應快、易于維護、安全可靠等優(yōu)點，有著極其廣泛的應用前景。20世紀50年代，蘇聯(lián)物理學家Abram loffe和他的同事提出了半導體熱電理論，指出優(yōu)良的熱電材料一般要有大的載流子遷移率和能帶有效質(zhì)量及低的晶格熱導率。并根據(jù)這些理論，科學家們發(fā)現(xiàn)了一些性能較好的常規(guī)半導體熱電材料，如適合室溫使用的Bi2Te3合金、中溫（700 K）使用的PbTe、高溫（1000 K）使用的SiGe合金和更高溫（1000 K以上）使用的SiC等，這些材料的熱電優(yōu)值（ZT）可以達到或接近1.0（對應熱電轉換效率小于10%），另外還有一些具有優(yōu)異熱電性能材料的ZT可達到2.0。然而，若想獲得與傳統(tǒng)熱機相當?shù)霓D換效率，材料的平均ZT需達到3.0左右。從熱力學的基本定理來說，熱電優(yōu)值沒有上限，因此，探索具有高轉換效率的新型熱電材料具有重要的科學意義和實用價值。作者10余年來一直從事熱電特性的理論研究，特別是Zintl相化合物熱電特性的研究。這類化合物符合“電子晶體-聲子玻璃”的概念，如具有5-2-6、3-1-3或2-1-2化學計量比的Zintl相化合物中，陽離子貢獻出全部的價電子給陰離子基團，陰離子基團一般通過共價鍵形成四面體結構，這些四面體通過角共享、邊共享或角共享和邊共享交替出現(xiàn)的形式形成一維的直鏈或一維扭曲的螺旋鏈或分散的四面體對等，而陰離子基團中元素的電負性一般差別不大，同時陰離子基團中的不等價位原子會使各共價鍵的鍵長、鍵角和鍵能各不相同，這樣復雜的晶格結構有利于降低晶格熱導率，并為通過能帶工程、聲子調(diào)控等手段提升材料的熱電性能提供了得天獨厚的條件，是有廣闊應用前景的熱電材料。本書寫作過程中力求向讀者傳授自己研究的心路歷程和思考探索方法，希冀能夠對正在或將來從事熱電研究的科研工作者有一定的啟發(fā)和幫助。本書第1章簡述熱電轉換的基本原理、熱電材料性能優(yōu)化策略。第2章闡述了基于密度泛函的第一性原理的理論基礎和研究方法。第3、第4、第5和第6章主要介紹了Zintl相化合物A5M2Pn6、A3MPn3和Ba2ZnPn2的晶格結構、電子結構和熱電特性，重點討論A5M2Pn6和A3MPn3化合物中陰離子基團不同排布方式的成因，并分析影響其電子結構和熱電特性的微觀機制，通過分析試圖找到元素的特性、晶格結構、電子結構和電子輸運特性之間的內(nèi)在聯(lián)系，為實驗上合成高性能熱電材料提供理論依據(jù)。第7章探究幾種彈性散射機制下，能帶簡并度、能帶有效質(zhì)量、能帶各向異性和熱電特性的關系，通過探究試圖探尋不同散射機制下優(yōu)良熱電材料電子結構的特性。

作者簡介

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圖書目錄

第1章緒論 1
1.1 引言 1
1.2 熱電性能的表征 2
1.2.1 熱電轉換效率 2
1.2.2 熱電優(yōu)值ZT 3
1.3 提高材料熱電優(yōu)值的途徑 9
1.3.1 提高功率因子 9
1.3.2 降低熱導率 11
1.4 本書主要研究內(nèi)容 13
參考文獻 19

第2章理論基礎及計算方法 22
2.1 研究背景 22
2.2 對多粒子系統(tǒng)的薛定諤方程的近似 23
2.2.1 非相對論近似 24
2.2.2 絕熱近似 24
2.2.3 單電子近似 25
2.3 密度泛函理論 29
2.3.1 托馬斯-費米模型 29
2.3.2 霍亨伯格-孔恩定理 30
2.3.3 科恩-沈呂九方程 32
2.4 交換關聯(lián)泛函 34
2.4.1 局域密度近似泛函 34
2.4.2 廣義梯度近似泛函 35
2.4.3 LDA （GGA） U方法 35
2.4.4 雜化密度泛函（Hydrid Density Functional） 36
2.5 電子Boltzmann輸運理論 36
2.6 本文采用的計算軟件 37
2.6.1 VASP軟件包 37
2.6.2 WIEN2K軟件包 37
2.6.3 Phonopy 38
2.6.4 Phono3py 38
參考文獻 39

第3章 Zintl相A5M2Pn6的晶格結構、電子結構和熱電特性 42
3.1 As-As鍵對Ca5M2As6（M=Sn,Ga）電子結構和熱電性質(zhì)的
影響 43
3.1.1 晶格結構 44
3.1.2 電子結構 45
3.1.3 電子輸運性質(zhì) 51
3.1.4 熱輸運性質(zhì) 55
3.1.5 小結 56
3.2 As-As鍵對化合物Ca5Ga2As6和Ca3GaAs3的電子結構和
熱電特性的影響 56
3.2.1 Ca5Ga2As6和Ca3GaAs3的晶格結構 57
3.2.2 電子結構 58
3.2.3 態(tài)密度 60
3.2.4 熱電特性 62
3.2.5 小結 65
3.3 Sr5Al2Sb6和Ca5Al2Sb6電子結構和熱電特性差異的
微觀機制 65
3.3.1 晶體結構 66
3.3.2 摻雜提高Sr5Al2Sb6的熱電特性 68
3.3.3 電子結構 69
3.3.4 輸運性質(zhì) 73
3.3.5 小結 76
3.4 Sr5Sn2As6的電子結構和熱電特性 76
3.4.1 晶體結構 77
3.4.2 彈性和熱學性能 78
3.4.3 電子輸運 79
3.4.4 電子結構 83
3.4.5 小結 87
參考文獻 87

第4章提高Zintl相化合物A5M2Pn6的熱電特性 91
4.1 A5M2Pn6組成元素電負性的不同對熱電特性的影響 91
4.1.1 晶格結構 91
4.1.2 電子結構 92
4.1.3 電輸運性質(zhì) 94
4.1.4 小結 96
4.2 溶質(zhì)原子的溶度上限對摻雜載流子濃度的影響 96
4.2.1 電子結構 97
4.2.2 Ca5Al2Sb6的輸運性質(zhì) 98
4.2.3 選擇合適的摻雜原子 101
4.2.4 小結 103
4.3 Pb摻雜調(diào)控能帶結構改善Ca5In2Sb6的熱電性能 104
4.3.1 晶格結構 104
4.3.2 熱電輸運性質(zhì) 105
4.3.3 電子結構 107
4.3.4 Pb摻雜Ca5In2Sb6的熱電特性 109
4.3.5 小結 114
參考文獻 114

第5章 Zintl相A3MPn3的晶格結構、電子結構和熱電特性 117
5.1 Ca3AlSb3和Sr3AlSb3中四面體不同的排布方式影響電子
結構和熱電特性 117
5.1.1 晶體結構 118
5.1.2 A3AlSb3（A=Ca, Sr）的電子輸運特性 120
5.1.3 電子結構 123
5.1.4 小結 125
5.2 Sr3GaSb3的電子結構和熱電性質(zhì) 126
5.2.1 晶格結構 126
5.2.2 輸運性質(zhì) 127
5.2.3 電子結構 129
5.2.4 小結 131
參考文獻 132

第6章 Ba2ZnPn2及其他Zintl相化合物的電子結構和熱電特性 134
6.1 Ba2ZnPn2的電子結構和熱電特性 134
6.1.1 晶體結構 134
6.1.2 弛豫時間和熱導率的計算 135
6.1.3 熱電輸運分析 136
6.1.4 電子結構 140
6.1.5 小結 143
6.2 引起Zintl相化合物Ba3Al3P5和Ba3Ga3P5熱電性質(zhì)差異的
微觀機制 144
6.2.1 晶格結構、穩(wěn)定性及化學鍵特征 144
6.2.2 晶格熱導率 147
6.2.3 熱電輸運性質(zhì) 149
6.2.4 電子結構 152
6.2.5 小結 155
參考文獻 155

第7章幾種各向同性的彈性散射下電子結構和熱電轉換效率的
關系 158
7.1 Chasmar-Stratton 理論 159
7.2 在幾種散射機制下材料參數(shù)β和電子結構的關系 159
7.3 簡單模型 161
7.4 簡單多谷模型 163
7.5 結論和展望 164
參考文獻 165