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Bi_2Te_3系、Ca_3Co_2O_6系热电材料的电子结构计算与热电陶瓷制备

作　者: 安继明
导　师: 南策文
学　校: 武汉理工大学
专　业: 材料学
关键词: 热电材料 Bi2Te3 Ca3Co2O6 LAPW方法 DFT-DVM方法能带带隙热电性能电导率 Seebeck系数
分类号: TB39
类　型: 博士论文
年　份: 2004年
下　载: 632次
引　用: 3次
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内容摘要

本文重点利用一种线性展开平面波（Linearized Augmented Planewave）方法和量子化学离散变分密度泛函（DFT-DVM）方法计算了二类重要热电材料：Bi₂Te₃基热电合金和Ca₃Co₂O₆基热电氧化物。 Bi₂Te₃基热电材料是目前最好的室温范围热电材料。本文对Bi₂Te₃和掺Sn的Bi₂Te₃的电子结构进行了LAPW和量子化学方法计算。结果表明，Bi₂Te₃和SnBi₂Te₄都是窄带半导体，自旋—轨道耦合效应对费米能级附近的能带影响很大，从能带结构上看，它们的能带有二重简并的和六重简并的。对于Bi₂Te₃的导带，Bi 6p态贡献大些；而对于价带，Te（Ⅰ）5 p态贡献大些。对SnBi₂Te₄的能带结构，掺入的Sn主要影响的是导带。Bi₂Te₃和SnBi₂Te₄二者相比，由于Sn原子的掺入从而使得带隙变小，有效质量变小；掺入Sn原子只与Te（Ⅱ）相连，Sn-Te（Ⅱ）共价键级也大于Bi-Te（Ⅱ）而小于Bi-Te（Ⅰ）。计算结果较好地解释了实验现象。 Ca₃Co₂O₆基氧化物是一个层状化合物，符合“电子晶体，声子玻璃”这个理论思想，是一个有研究价值的热电材料。本文对Ca₃Co₂O₆和掺Ni的Ca₃Co₂O₆的电子结构进行了LAPW和量子化学方法计算。结果表明，Ca₃Co₂O₆和Ca₃CoNiO₆都是窄带半导体，自旋—轨道耦合效应在确定带隙时起了主要作用。它们的能带结构是多重简并的，其输运特性也是各向异性的。Ni的掺入改变了能带结构，金属性变强；掺入Ni后，Ni-O共价键明显地比Ca₁₈Co₁₂O₃₆中的对应的Co-O共价键弱。基于理论计算的结果，我们用Sol-Gel方法合成了Ca₃Co₂O₆和掺Ni的化合物并用SPS烧结方法制备成样品。实验结果表明，Ca₃Co₂O₆的热电性能的理论计算规律和实验结果符合较好。但掺Ni后，理论预计和实验出入很大，该现象有待进一步研究。

全文目录

第一章绪论  10-24
  1.1 引言  10
  1.2 热电效应及其应用  10-14
  1.3 电材料研究进展  14-21
  1.4 课题的意义及内容的安排  21
  参考文献  21-24
第二章能带计算及在热电材料中的应用  24-41
  2.1 带理论的基础  24-25
  2.2 能带及其一般特性  25-27
  2.3 正交平面波方法计算能带  27-29
  2.4 LAPW方法计算能带  29-33
  2.5 能带计算热电材料中的应用  33
  2.6 DFT-DVM)方法与离散变分方法原理  33-36
  2.7 半导体的热电性能计算  36-39
  参考文献  39-41
第三章 Bi_2Te_3体系热电材料的计算  41-65
  3.1 Bi_2Te_3的计算  42-51
  3.2 SnBi_2Te_4的计算  51-59
  3.3 Bi_2Te_3和SnBi_2Te_4热电性能计算  59-62
  3.4 小结  62-63
  参考文献  63-65
第四章 Ca_3Co_2O_6体系的计算  65-83
  4.1 Ca_3Co_2O_6的晶体结构  66
  4.2 钴酸盐氧化物体系能带计算  66-72
  4.3 钴酸盐氧化物体系量子化学计算  72-76
  4.4 钴酸盐氧化物体系的热电性能计算  76-81
  4.5 小结  81
  参考文献  81-83
第五章 Ca_3Co_2O_6体系的制备  83-99
  5.1 钴酸盐氧化物体系的制备  83-90
  5.2 钴酸盐氧化物体系热电性能  90-97
  5.3 小结  97-98
  参考文献  98-99
第六章结论  99-101
附录Ⅰ LAPW方法程序的使用及相关辅助程序  101-111
附录Ⅱ 有关热电性能计算的程序  111-114

Bi_2Te_3系、Ca_3Co_2O_6系热电材料的电子结构计算与热电陶瓷制备

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