尹国庆, 虞 游, 沈艳红, 王枥悦, 马 颖, 李叶古

(成都信息工程大学光电工程学院,四川 成都 610225)

0 引言

由于化石燃料滥用导致能源枯竭的问题日益严重,科学家迫切需要找到解决这一问题的办法,其中热电材料作为一种利用固体内部载流子运动实现热能和电能直接转换的材料,可以广泛应用于地热发电、光热发电等清洁能源发电,因此受到科学界的广泛关注。目前对热电材料的研究主要集中在IV-VI族元素半导体,为得到更好的热电性能,现有的方法主要集中在两个方面:一是对这类材料的掺杂[1-2],如对P型PbTe掺杂后在温度770 K时其ZT值可以达到1.8[3],在840 K时对SnTe进行掺杂,其ZT值可达1.5[4];二是对热电材料的单层结构进行研究,石墨烯单层结构的发现与合成[5-6]为其他二维材料的发展铺平了道路,文献[7-8]证实了实现更多单层材料的可能性。本文采用基于密度泛函理论[9]的第一性原理方法对热电材料SnX(X=S,Se,Te)进行研究,这类半导体在不同压强不同温度下会呈现出不同的晶体结构,主要是立方的NaCl结构和黑磷单层结构(Pnma相)[10],本文主要研究的是这类化合物的Pnma相和其对应的单层结构的电子性质和弹性性质,为后续对它们热电性质的研究以及通过掺杂实现对不同材料热电性能的提升提供理论支持。

1 计算方法

本文所有的计算均通过Material Studio软件里的CASTEP模块完成,基于密度泛函理论框架下的第一性原理方法进行。对结构优化、电子性质和弹性性质的计算均使用超软赝势(ultrasoft pseudopotential)来描述电子与原子核之间的相互作用,用于扩展电子波函数的平面截止波能量设置为400 eV。……