可穿戴高热电转换效率二维非对称材料的设计方法技术

本发明专利技术公开了一种可穿戴高热电转换效率二维非对称材料的设计方法。所述方法包括：(1)设计非对称Janus结构的二维硫族化合物MXY，其中，M＝{Mo，W，Hf，Zr}，X/Y＝{S,Se，Te}；(2)基于密度泛函理论计算12种体系的稳定构型，在考虑自旋轨道耦合情况下，计算电子结构特性；(3)利用电子玻尔兹曼输运理论，在考虑电子

【技术实现步骤摘要】
可穿戴高热电转换效率二维非对称材料的设计方法


[0001]本专利技术属于可穿戴热电材料领域，涉及一种可穿戴高热电转换效率二维非对称材料的设计方法。

技术介绍

[0002]当今物联网的发展亟需其组成器件单元从周围环境中获取能源，从而摆脱输电线以及电池等供电设施带来的空间上的束缚。热电材料利用塞贝克效应为人们提供了一种可以从周围环境中的热能吸取能量，进而转换成器件所需的电能的理想解决方案。评价热电转换效率的参数称为热电优值，其表达式为ZT＝S2σ/(k
e
+k
l
)，S为塞贝克系数，σ为电导率，k为热导率，T为绝对温度。性能优异的热电材料需要其在环境中较慢地恢复热平衡状态，同时需要其具有较高的电输运性能。但是，现实材料中，由于电输运与热输运紧密地耦合在一起，很难在同一种材料里面有效地同时实现高电导与低热导。
[0003]可穿戴热电材料对其本征性能的要求更高：需要同时满足高室温热电转换率以及稳定的力学性能。但是，到目前为止，大部分高热电转换材料需要在600K的高温下才能实现。另一方面，热电材料的易脆性以及较差的延展性也制约了其在物联网领域的应用。有机热电材料力学性能表现优异，同时具有很好的柔性，但是由于其功率因子较低，很难为实际的可穿戴器件提供充足的电力保障。对于二维硫族化合物，已经有报道在M＝{Pd,Pt}，X/Y＝{S,Se，Te}作为潜在热电材料，但并没有说明材料作为潜在柔性可穿戴材料的力学性能部分(Tao W-L,Lan J-Q,Hu C-E,et al.Thermoelectric properties of Janus MXY(M＝Pd,Pt；X,Y＝S,Se,Te)transition-metal dichalcogenide monolayers from first principles[J].J Appl Phys,2020,127(3):035101.)。
[0004]近年来，研究表明，利用Rashba效应可以有效地将各热电参量退耦合，从而分而治之，突破室温热电转换效率低的瓶颈。具体地讲，Rashba效应带来的独特的电子结构特征可以同时使其塞贝克系数和电导率提升，这在传统热电材料中是很难实现的。而二维材料中，空间对称性的破缺可以带来显著地垂直层面电偶极作用。此电偶极子可以使材料产生很强的Rashba效应，从而带来塞贝克系数和电导率的提升。目前已有很多研究小组注意到利用二维硫族化合物来提升材料的室温热电转换率，但是提升幅度并不显著(Hippalgaonkar K,Wang Y,Ye Y,et al.High thermoelectric power factor in two-dimensional crystals of MoS2[J].Phys.Rev.B,2017,95(11):115407.)。其根本原因在于这类材料的空间反演对称性阻碍了塞贝克系数和电导率的同时提升。

技术实现思路

[0005]针对现有的热电材料室温热电转换效率低、力学稳定性差并且很难同时提升热电输运各参量的问题，本专利技术提供一种可穿戴高热电转换效率二维非对称材料的设计方法。该设计方法以第一性原理为研究方法，结合玻尔兹曼输运理论，计算了二维Janus结构非对称硫族化合物的Rashba效应、热电输运性能以及力学性能，通过筛选不同组元的Janus体
系，提出了利用Rashba效应提高室温热电转换率的设计方案。
[0006]本专利技术的技术方案如下：
[0007]可穿戴高热电转换效率二维非对称材料的设计方法，包括以下步骤：
[0008](1)采用Materials Studio软件建模，将二硫化钼上下层硫元素替换为X/Y＝{S,Se，Te}，并且保持上下层元素不同，然后将金属元素替换为M＝{Mo，W，Hf，Zr}，获得十二种体系的初始结构；
[0009](2)通过VASP密度泛函计算软件，对十二种体系做全弛豫结构优化，当体系达到预设的能量以及力收敛标准后，结束计算，获得稳定的Janus结构，再计算稳定的Janus结构下计算其电子结构特性，包括能带结构、电荷转移、态密度、投影态密度、投影能带结构；
[0010](3)在广义梯度近似中的PBE作为交换关联泛函近似下，考虑电子自旋轨道耦合，进一步计算材料的能带结构和态密度，计算材料的磁各向异性特征；
[0011](4)根据Rashba效应判断标准，计算估计带边Rashba劈裂大小，计算由于Rashba劈裂造成的不同维度电子结构特征能量范围，确定电子结构维度交叉点能量值，进一步计算考虑Rashba效应后的能态密度；
[0012](5)根据晶格散射理论与电子声子耦合理论，计算晶格振动对电子的散射情况，计算载流子在输运过程中的电子散射强度和电子散射寿命；
[0013](6)根据密度泛函微绕理论计算材料的声子谱，在此基础上，得到声子能态密度分布，计算声子群速度；
[0014](7)根据密度泛函微绕理论能量二阶与三阶微分量，求得三声子散射时间，即晶格热导率中声子的寿命；
[0015](8)根据电子玻尔兹曼输运方程，利用步骤(5)得到的电子散射寿命计算得到电子的输运参数，包括：电子迁移率、电子电导率、塞贝克系数以及电子热导率；
[0016](9)根据声子玻尔兹曼方程，利用步骤(6)计算得到的声子群速度和步骤(7)计算得到的声子的寿命，计算材料的晶格热导率；
[0017](10)根据步骤(8)计算得到的电子电导率、电子热导率、塞贝克系数和步骤(9)计算得到的晶格热导率，计算在特定温度下、特定掺杂浓度下材料的热电优值；
[0018](11)基于VASP密度泛函计算软件计算材料的断裂韧性和面内刚度，通过施加双轴应变，计算得到体系的应力-应变曲线；通过对晶格进行六种有限变形并由应力-应变关系导出弹性常数，从而确定材料弹性模量。
[0019]进一步地，步骤(2)中，能带结构、电荷转移、态密度、投影态密度、投影能带结构的计算方法如下：
[0020]对稳定的Janus结构做电子结构计算，得到体系的优化电子密度函数，以及以电子密度为变量的势能泛函和动能泛函，将动能、势能泛函带入Kohn-Sham方程，增加布里渊区内电子波矢数目，得到体系的细致能态密度分布；确定布里渊区内的高对称点，确定特殊路径上的电子波矢，带入优化Kohn-Sham方程，得到特殊路径上的电子能量，得到电子能带结构。
[0021]进一步地，步骤(5)中，电子散射强度和电子散射寿命的计算方法如下：
[0022]利用密度泛函微绕理论，计算二阶势能微分量，得到电子声子耦合矩阵；采用Wannier插值技术，获得布里渊区内高密度电子声子耦合矩阵；利用电子声子耦合矩阵，计
算电子自能，其电子自能的虚部Im(Σ
αk
)乘以常数即为电子寿命τ
αk
，电子散射强度与电子寿命成反比，其计算公式如下：
[0023][0024]其中，g
αβ
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.可穿戴高热电转换效率二维非对称材料的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)采用Materials Studio软件建模，将二硫化钼上下层硫元素替换为X/Y＝{S,Se，Te}，并且保持上下层元素不同，然后将金属元素替换为M＝{Mo，W，Hf，Zr}，获得十二种体系的初始结构；(2)通过VASP密度泛函计算软件，对十二种体系做全弛豫结构优化，当体系达到预设的能量以及力收敛标准后，结束计算，获得稳定的Janus结构，再计算稳定的Janus结构下计算其电子结构特性，包括能带结构、电荷转移、态密度、投影态密度、投影能带结构；(3)在广义梯度近似中的PBE作为交换关联泛函近似下，考虑电子自旋轨道耦合，进一步计算材料的能带结构和态密度，计算材料的磁各向异性特征；(4)根据Rashba效应判断标准，计算估计带边Rashba劈裂大小，计算由于Rashba劈裂造成的不同维度电子结构特征能量范围，确定电子结构维度交叉点能量值，进一步计算考虑Rashba效应后的能态密度；(5)根据晶格散射理论与电子声子耦合理论，计算晶格振动对电子的散射情况，计算载流子在输运过程中的电子散射强度和电子散射寿命；(6)根据密度泛函微绕理论计算材料的声子谱，在此基础上，得到声子能态密度分布，计算声子群速度；(7)根据密度泛函微绕理论能量二阶与三阶微分量，求得三声子散射时间，即晶格热导率中声子的寿命；(8)根据电子玻尔兹曼输运方程，利用步骤(5)得到的电子散射寿命计算得到电子的输运参数，包括：电子迁移率、电子电导率、塞贝克系数以及电子热导率；(9)根据声子玻尔兹曼方程，利用步骤(6)计算得到的声子群速度和步骤(7)计算得到的声子的寿命，计算材料的晶格热导率；(10)根据步骤(8)计算得到的电子电导率、电子热导率、塞贝克系数和步骤(9)计算得到的晶格热导率，计算在特定温度下、特定掺杂浓度下材料的热电优值；(11)基于VASP密度泛函计算软件计算材料的断裂韧性和面内刚度，通过施加双轴应变，计算得到体系的应力-应变曲线；通过对晶格进行六种有限变形并由应力-应变关系导出弹性常数，从而确定材料弹性模量。2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，步骤(2)中，能带结构、电荷转移、态密度、投影态密...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘伟，段雪飞，方敏，任吉昌，杨飘，赵广轩，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：