合金化对过渡族金属化合物热电性能的影响
摘要:环境和能源问题日益严重，解决环境污染和能源短缺成为焦点，热电材料可以将热能转换成电能，缓解能源问题，且转换过程不会产生污染，但由于其转换效率低和应用领域窄等问题，还没有得到广泛应用，探究新型热电材料已经成为研究的热点问题，推动热电材料在工业生产和日常生活中的实际应用，以达到提高废热利用率、节约能源和保护环境的最终目的。随着计算机技术的飞速发展，数值模拟方法不断改进，基于数值模拟的研究方法越来越受到人们的重视。利用数值模拟的研究方法，可以减少实验耗时，大大提升工作效率。因此结合密度泛函理论、电子和声子的玻尔兹曼运输理论，计算材料的塞贝克系数和电导率，分析材料的热电性能，并通过改变材料的合金化程度及元素分布情况，优化设计得到具有优异性能的合金化热电材料。
关键字：热电材料、合金化、半赫勒斯材料、密度泛函理论、玻尔兹曼运输理论
正文
- 热电材料概述
随着煤炭、石油等不可再生矿物能源的逐渐减少和环境污染的日益加重，发展新型的、环境友好的可再生能源和能源转换技术已经势在必行。热电转换技术是一种利用热电材料的热电效应实现热能和电能相互转换的技术，即热能可以转换成电能，电能也可以转变成热能或者用来制冷。热电转换技术不使用传动部件，工作时没有噪声、没有排弃物，和太阳能、风能、水能等二次能源技术一样对环境没有污染，另外热电转换技术的性能可靠、使用寿命长，是一种具有广泛应用前景的环境友好型能量转换技术,已经引起国内外材料科学与能源科学领域的科学家们的高度重视[1-5]。
热电效应是一种可逆的过程，主要指的是电能和热能之间的相互转换，热电效应包括三个热力学可逆效应，即塞贝克(Seebeck)效应、珀尔帖(Peltier)效应和汤姆逊(Thomson）效应[6]，有时热电效应也被称作珀尔帖-塞贝克效应(Peltier-Seebeck effect)[7]。根据热电效应，可以利用热电材料进行热电转换,从而有效利用工业废热减少能源消耗，因此研究如何提高热电效率，引起了科研学术界和工业制造界极大的兴趣。
- 热电效应的基本参数与相互关系
利用热电效应可以实现电能和热能之间的相互转换。评估热电材料热电性能高低的参数是无量纲的热电优值ZT，其表达式如下:
式中S为塞贝克系数，T为绝对温度，sigma;为电导率，K为热导率。塞贝克系数S，电导率sigma;和热导率K是热电效应的三个主要参数。
通过公式可以看出,材料的热电性能提升需要获得高的ZT值，要从 Seeebck系数，热导率，电导率方面着手。需要热电材料具备高Seebeck系数获得高输出电压，高的电导率保证流通的载流子数目多，较小的热导率以保证材料两端大的温差。但是这三者的关系是相互耦合的[8]，与材料内部的载流子浓度和迁移率,有效质量等都密切相关,还取决于载流子和声子的传输和相互作用[8]。因此要综合考虑三者的关系找到一个合适的平衡点，得到最佳方案。
