摘要
热电材料可直接实现材料两端热能和电能的相互转换，具有清洁、可持续工作等优点，可有效缓解能源危机和环境污染所引发的问题。但是热电材料存在能源转化效率低、制造成本昂贵等不足，目前主要用于航天、军工、医疗等领域，距离大规模应用还有很远的距离。通常材料的热电转化效率由热电优值来描述：2elZT?SσTκ?κ，然而各输运参数之间的互相耦合导致提升ZT相对困难。经过数十年的发展，热电理论指出了提升材料热电性能的主要方法：如通过能带工程修饰能带或提升能带简并度可有效提升电子的输运性能、选择合适的载流子浓度可有效优化各输运参数之间的关系、掺杂重原子来提高声子的散射率并降低声子寿命、采用低维度材料可有效改善声子的输运性能等。随着纳米技术的发展，研究人员发现部分层状材料因其独特的结构而具有较好的热电输运性质，其热电性能优于传统的热电材料。基于上述背景，我们利用第一性原理模拟程序VASP预测了一批新型的层状二维材料Tl2O、Cu2X(X=S,Se)、Au2X(X=Se,Te)。该类型的材料均属于硫族化合物，普遍具有较低的晶格热导率和良好的输运参数。此外，通过研究上述材料的声子寿命、群速度、Grüneisen常数等影响晶格热导率的参数，为揭示其声子内部输运规律提供参考。本文的主要研究内容如下： 1.基于第一性原理计算，研究了单层Tl2O的热电性能。研究表明，室温下单层Tl2O的晶格热导率仅为0.97W/mK，这源于其较低的声子群速度、较强的非谐性效应及相对较低的德拜温度。电输运性质表明，单层Tl2O在p型掺杂下具有较大的塞贝克系数，这与其沿y方向高的有效质量有关。此外，我们还研究了单层Tl2O的部分力学性质，其沿x和y方向的临界应变点分别为13.8%和16%。因此，我们得到室温下单层Tl2O在最优掺杂浓度下的热电优值为1.21。当温度提升到700K时，其最大热电优值可达2.62。 2.研究发现单层Cu2X(X=S,Se)在室温下具有低的晶格热导率(3.25W/mK和1.93W/mK)。我们通过平均自由程、声子群速度、声子寿命、Grüneisen常数以及德拜温度等多种方式验证了影响它们热导率的因素。电输运部分，通过态密度有效质量对单层Cu2X(X=S,Se)价带顶的多能带简并进行修正。以此法计算的空穴的有效质量远高于电子的有效质量，并导致p型掺杂下高的塞贝克系数和n型掺杂下高的电导率。温度为700K时，单层Cu2S和Cu2Se在n型最优掺杂浓度下的热电优值可以达到1.85和2.82，高于p型最优掺杂浓度下的热电优值0.38和1.7。单层Cu2X(X=S,Se)的优良热电性能可与目前的先进热电材料相媲美，具有良好应用前景。 3.研究发现二维材料的ZA声学支是否完全二次在很大程度上决定其晶格热导率的高低，进而影响材料的热电优值。基于第一性原理计算，通过对单层Au2X(X=Se,Te)的二阶力常数施加旋转不变性，实现了ZA声学支的完全二次关系。修正后的晶格热导率出现明显的降低，室温下分别为0.04W/mK和0.07W/mK。此外，在计算其电输运性质时，我们考虑了价带顶的能带简并效应，并发现在n型掺杂下更容易提升热电优值。根据修正后的结果，室温下单层Au2Se和Au2Te在最优掺杂浓度下的热电优值分别可达6.4和4.2，说明它们是一类优异的热电材料。
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