《第一性原理研究金屬-(V,VI,VII)族材料的熱電性質及原理探索》是依託中國科學院合肥物質科學研究院，由張永勝擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：第一性原理研究金屬-(V,VI,VII)族材料的熱電性質及原理探索
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：張永勝
- 依託單位：中國科學院合肥物質科學研究院
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
熱電材料能夠把廢棄的熱能轉化為有用的電能，這將對能源日益緊張的今天是有益的補充。雖然熱電材料有著廣泛的套用前景，但是現有的熱電材料依然面臨著轉化效率偏低的問題，因此加速尋找高效的熱電材料以及探索高性能熱電材料的機理是科研界面臨的重要課題之一。在本項目中，申請人將通過對具有特異結構的金屬-（V,VI,VII）二元以及三元化合物進行大規模理論計算以篩選出對環境友好，並且價格便宜的優秀熱電材料。此方法克服了實驗中材料的合成製備以及測試的困難，能夠大大縮短高效熱電材料的研發周期。通過對材料電子結構的分析，申請人將探索優秀熱電材料所具有的物理規律，如材料結構，原子間成鍵，共價鍵強弱，電子轉移，孤對電子等對熱電材料性質的影響，發展相關熱電材料設計理論，並以此為依據來預測或設計出實驗上尚未合成過的新型熱電材料。由本項目所產生的半導體材料資料庫不但對熱電材料，也對其他半導體產業和絕熱材料有著重要的意義。
結題摘要
加速尋找高效的熱電材料以及探索高性能熱電材料的機理是科研界面臨的重要課題之一。在本項目中，申請人通過對金屬-（V,VI,VII）二元以及三元化合物進行大規模理論計算以篩選出優秀熱電材料。此方法克服了實驗中材料的合成製備以及測試的困難，能夠大大縮短高效熱電材料的研發周期。申請人發展了利用彈性性能高效估算材料熱導率的方法，以及利用能帶快速描述材料功率因子的方法。編寫了高通量熱電材料計算和篩選程式，TEMG（ThermoElectric Materials Genome）。套用發展的方法和高通量程式，對大量金屬原子和V, VI, VII族元素所形成的二元及三元化合物進行高通量計算，對它們的熱電性能進行了評估，篩選出20餘種具有優秀熱電性能的材料，包括ZnSe2，CuBiS2，Ca3N2、HfN2、PbI2、AuBr、Cu3VX4(X=S,Se)等。通過研究原子間成鍵，電子轉移，以及晶體結構等方面對熱電性能的影響，提出了通過分析材料的空間群和分子式來簡單尋找可能的高效熱電材料的方案。利用Boltzmann輸運理論和Debye-Callaway模型計算了高效熱電材料候選體系詳細的熱電性質（電導率，熱導率以及Seebeck係數），從而模擬了材料的品質因數。對計算結果的能帶結構、彈性性能以及晶體結構進行了詳細地梳理和分析，用能態密度，電荷密度以及電荷局域函式等分析手段來研究原子間成鍵，共價鍵強弱，電子轉移，孤對電子等對熱電性能的影響，詳細探討了具有高效熱電材料的物理機制，提出了孤對電子和原子振動協同減低熱導率的理論方案，發展了相關熱電材料設計理論，並以此為依據來預測或設計出實驗上尚未合成過的新型熱電材料，比如Cu3VTe4，Cu12Sb4(S/Se)13和Cu3V(Se/S)4。同時和實驗工作者緊密的合作對具有優秀熱電的材料進行研究，通過能帶工程、缺陷工程以及加壓的手段對熱電性能做進一步的調控。由本項目不但提供了新的熱電材料研究體系，而且所發展的方法及程式對今後高效熱電材料的篩選和設計提供了新思路。並且本項目所產生半導體材料資料庫不但對熱電材料，也對其他半導體相關產業有著指導價值。
