课题基金 / 基金详情

基于能隙调控的BiTe近室温热电性能优化及机理的研究

批准号:
22109014
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
贾斐
依托单位:
学科分类:
能源材料化学
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
贾斐

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
现代社会环境保护意识越来越强,化学制冷剂的使用会对环境造成危害。环境友好型近室温热电材料可以用电制冷,能减少化学制冷剂对环境的影响。本项目聚焦拥有商用室温热电材料Bi2Te3的[Bi2]m[Bi2Q3]n家族,以该家族中BiTe化合物为研究对象,基于费米能级附近能带的轨道组成和成键分析,从轨道能量的角度选择可降低能隙的阳离子,结合热电性能理论预测筛选出可提高材料近室温性能的掺杂剂,通过实验验证理论计算结果,从而实现材料近室温热电性能的提升。基于掺杂模型的能带结构和声子谱,分析掺杂剂导致的能带轨道成分以及原子振动变化的原因,从而研究材料电、热输运性能变化的机理,发现提高BiTe以及该家族其他材料近室温热电性能的方法。本项目旨在将理论与实验相结合,探索能带轨道组成与电、热输运性能的关系,拓展近室温热电材料的边界,从而为近室温热电材料更广泛的应用提供理论支撑和实验基础。
英文摘要
In modern society, the awareness of environmental protection is becoming stronger, the use of chemical refrigerants will cause harm to the environment. Environment-friendly near room temperature thermoelectric materials can use electricity to cooling, which can reduce the impact of chemical refrigerants on the environment. This project focus on [Bi2]m[Bi2Q3]n family with commercial thermoelectric material Bi2Te3, the BiTe in the family as the research object, based on analysis of orbit and bonding of band near Fermi energy, from the view of the orbitals energy, select cation dopants to reduce the energy gap. Combining with the theory of thermoelectric performance prediction filter dopant that can improve the properties of materials near room temperature, through experiment to verify the results of theoretical, to increase near room temperature thermoelectric performance of materials. Based on the band structure and phonon spectrum of the doping model, analyze the changes of band structure orbitals composition and atomic vibration, to study the mechanism of the change of electrical and thermal transport properties of the materials, and will find a method to improve the near room temperature thermoelectric properties of BiTe and other materials of family. This project aims to combine theory with experiment, explore the relationship between band structure orbits composition and electrical, thermal transport performance, and expand the boundary of near room temperature thermoelectric materials, to provide theoretical support and experimental basis for the wider application of near room temperature thermoelectric materials.
近室温热电材料可在近室温下用电制冷,具有体积小,无噪音和无污染的优点,能使制冷设备静音以及小型化,并可减小化学制冷剂对环境的危害。现阶段近室温热电材料较为稀缺,仅有商用热电材料Bi2Te3基材料。近些年在[Bi2]m[Bi2Q3]n家族中发现了较多的近室温热电材料例如BiSe和Bi8Se7,但是仍有很多材料为中高温区材料,例如BiTe。因此探索优化该家族中材料的近室温性能显得尤为重要。.本项目主要是以[Bi2]m[Bi2Q3]n家族中的高温区热电材料BiTe为研究对象,基于密度泛函理论的计算,从费米能级附近的轨道组成出发,结合玻尔兹曼输运方程的计算,寻找能够调节材料能隙和近室温热电性能的掺杂剂。基于能带结构、声子谱以及实验数据,分析优化近室温热电性能的机理。主要研究内容包含筛选出Sb原子作为掺杂剂;测试Bi1-xSbxTe的热电性能,以及Sb&Se共掺杂材料的热电性能;基于能带结构,分析掺杂导致能带轨道组成发生的变化对于电学性能的影响;基于二阶力常数和三阶力常数,分析掺杂对于声子输运性能的影响。.BiTe由于有自旋轨道耦合效应导致能带翻转能隙能加,随着Sb掺杂浓度的增加,能隙逐渐减小,使最优泽贝克系数值将出现在室温区域,从33增加到124 μV/K,导致Bi0.6Sb0.4Te的ZT值出现在室温区域(ZT ~ 0.4)。经过Sb和Se的双掺杂,室温下ZT值可以达到0.6。使该材料成为一种潜在的近室温热电材料。.在本项目的研究中,发现了可以通过掺杂减小自旋轨道耦合,可以减弱有害的能带翻转,从而可以有效的提高材料BiTe的近室温热电性能。而在研究过程中发现通过掺杂可以进一步有效提高材料的热电性能,因此如果进一步研究可以使该材料成为潜在的商用室温热电材料。
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