过渡金属氮卤化合物热电特性掺杂纳米结构的研究方法技术

本发明专利技术公开了一种过渡金属氮卤化合物热电特性掺杂纳米结构的研究方法，其特征在于：包括如下步骤，构建ZrNBr和HfNBr的物理模型，并分析所述物理模型的结构性质；计算ZrNBr和HfNBr的塞贝克系数和电导随温度的变化规律；优化ZrNBr和HfNBr表面的电子结构；建立ZrNBr和HfNBr的结构特性与纳米材料电子结构性质之间的关系；计算载流子掺杂与ZrNBr和HfNBr纳米薄膜电子结构和热电性质的关系，具有更低的晶格热导率和更高的热电优值。格热导率和更高的热电优值。格热导率和更高的热电优值。

【技术实现步骤摘要】
过渡金属氮卤化合物热电特性掺杂纳米结构的研究方法


[0001]本专利技术属于新能源材料领域，具体涉及一种过渡金属氮卤化合物热电热性掺杂纳米结构的研究方法。

技术介绍

[0002]电材料是一种通过固体内部载流子, 如电子或空穴的运动实现热能和电能直接相互转换的新型功能材料。
[0003]由于热电材料制备的发电和制冷装置具有体积小、无污染、无噪音、无磨损、可靠性好、寿命长等突出优点，具备其它能量转换装置无法替代的功能，因此在温差发电和热电致冷等领域具有极其广泛的应用前景。由于能源与环境危机的加剧，这种适应21世纪绿色环保主题的热电材料在凝聚态物理学、材料科学、能源与环境科学以及工业技术应用等方面均有非常重要的意义，因此吸引了众多科学家来探索热电材料的合成及热电特性的机理研究。过去几十年，许多学者对热电材料进行了较为系统深入的研究，他们通过各种方法提高热电优值，取得了较好的研究效果。
[0004]现今，对于ZrNBr和HfNBr的纳米薄膜的热电特性缺乏一种研究方法。

技术实现思路

[0005]为解决上述技术问题，本专利技术提供一种过渡金属氮卤化合物热电热性掺杂纳米结构的研究方法。
[0006]具体方案如下：过渡金属氮卤化合物热电特性掺杂纳米结构的研究方法，包括如下步骤，S1）：构建ZrNBr和HfNBr的物理模型，并分析所述物理模型的结构性质；S2）：计算ZrNBr和HfNBr的塞贝克系数和电导随温度的变化规律；S3）：优化ZrNBr和HfNBr表面的电子结构；S4）：建立ZrNBr和HfNBr的结构特性与纳米材料电子结构性质之间的关系；S5）：计算载流子掺杂与ZrNBr和HfNBr纳米薄膜电子结构和热电性质的关系。
[0007]S1）中的物理模型的结构性质分析方法为，基于ZrNBr和HfNBr的最佳薄膜结构，计算出相应的电子能带带隙、总态密度和分态密度。
[0008]S2）中计算ZrNBr和HfNBr的塞贝克系数和电导随温度的变化规律的方法为，根据计算出的空穴和电子有效质量和弛豫时间，得出ZrNBr和HfNBr的电子热导、晶格热导和热电优值与温度、载流子掺杂浓度的关系。
[0009]S3）中，优选表面电子结构的方法包括如下步骤，T1）：在全电势线性增广平面波与仿真程序包VASP相结合的情况下，实现对ZrNBr和HfNBr结构的优化；T2）：根据优化的参数构造ZrNBr和HfNBr的物理结构，并对所述物理结构进行结构优化，对物料结构优化时平面波设置的能量阈值为500 eV；
T3）：在布里渊区中使用一千个Monkhorst
‑
Pack k网格用于ZrNBr和HfNBr的计算；T4）：利用全电势线性增广平面波法计算电子结构，并结合非平衡态格林函数和玻尔兹曼输运方程计算其热电性质。
[0010]全电势线性增广平面波法通过WIEN2K代码实现对ZrNBr和HfNBr的能带结构进行计算。
[0011]T1）中优化表面电子结构的方法包括如下步骤，M1）：设置平面波的数量，并通过密度泛函理论和半经典玻尔兹曼输运方程研究MNBr (M = Hf, Zr)的输运性质；M2）：根据半经典玻尔兹曼输运方程，借助弛豫时间近似的方法，通过BoltzTraP代码计算出其输运性质；M3）：结合全电势线性增广平面波法、格林函数和玻尔兹曼方程来计算其热电输运性质，从而获得高效率热电转换ZrNBr和HfNBr纳米薄膜材料。
[0012]S5）中采用利用密度泛函理论判断杂质的能量水平来寻找可以引起能量共振的掺杂元素，从而用这种方法实现功率因子增强而热导降低的共同调制作用。基于玻尔兹曼运输理论模拟不同温度下对塞贝克系数和电导的影响，得到最优掺杂的载流子种类和浓度范围。采用玻尔兹曼运输理论研究体系热电性质随温度的变化情况，通过掺杂调控能带结构实现热电性能的改善。本专利技术公开了一种过渡金属氮卤化合物热电热性掺杂纳米结构的研究方法，本专利技术建立起动力学稳定的ZrNBr和HfNBr纳米薄膜的物理模型，相比其他传统热电材料而言，ZrNBr和HfNBr纳米薄膜具有更低的晶格热导率和更高的热电优值，具体而言，ZrNBr和HfNBr纳米薄膜的热电优值比TaCoSn提高了12.976%。
附图说明
[0013]图1是ZrNBr薄膜的弛豫时间随温度变化曲线。
[0014]图2是HfNBr薄膜的弛豫时间随温度变化曲线。
[0015]图3是ZrNBr薄膜沿高对称方向的声子散射关系图。
[0016]图4是HfNBr薄膜沿高对称方向的声子散射关系图。
[0017]图5是晶格热导率随温度变化曲线。
[0018]图6是ZrNBr薄膜与电子热导率随温度变化曲线。
[0019]图7是ZrNBr薄膜的和ZT值随温度变化曲线。
[0020]图8是HfNBr薄膜与电子热导率随温度变化曲线。
[0021]图9是HfNBr薄膜的和ZT值随温度变化曲线。
具体实施方式
[0022]下面将结合本专利技术中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施，而不是全部的实施，基于本专利技术的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0023]构建ZrNBr和HfNBr的物理模型并分析其结构性质。
[0024]基于ZrNBr和HfNBr的最佳薄膜结构，计算出相应的电子能带带隙、总态密度和分
态密度。
[0025]研究ZrNBr和HfNBr的塞贝克系数和电导随温度的变化规律。
[0026]再根据计算出的空穴和电子有效质量和弛豫时间，最终得出ZrNBr和HfNBr的电子热导、晶格热导和热电优值与温度、载流子掺杂浓度的关系。
[0027]研究ZrNBr和HfNBr表面的电子结构。
[0028]首先在全电势线性增广平面波与仿真程序包VASP相结合的情况下，实现对ZrNBr和HfNBr结构的优化。
[0029]根据优化的参数构造ZrNBr和HfNBr的物理结构，并进行结构优化。其中平面波设置的能量阈值为500 eV，然后在布里渊区中使用一千个Monkhorst
‑
Pack k网格用于ZrNBr和HfNBr的计算。
[0030]最后，利用全电势线性增广平面波法计算电子结构，并结合非平衡态格林函数和玻尔兹曼输运方程计算其热电性质，研究其结构特性与纳米材料电子结构性质，如带隙、费米能附近能带简并度和能带散射程度之间的联系，并和已有理论数据进行对比。
[0031]研究载流子掺杂对ZrNBr和HfNBr纳米薄膜电子结构和热电性质的影响方式及规律。
[0032]利用密度泛函理论判断杂质的能量水平来寻找可以引起能量共振的掺杂元素，从而用这种方法实现功率因子增强而热导降低的共同调制作用。基于玻尔兹曼运输理论模拟不同温度下对塞贝克系数和电导的影响，得到最优掺杂的载流子种类和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.过渡金属氮卤化合物热电特性掺杂纳米结构的研究方法，其特征在于：包括如下步骤，S1）：构建ZrNBr和HfNBr的物理模型，并分析所述物理模型的结构性质；S2）：计算ZrNBr和HfNBr的塞贝克系数和电导随温度的变化规律；S3）：优化ZrNBr和HfNBr表面的电子结构；S4）：建立ZrNBr和HfNBr的结构特性与纳米材料电子结构性质之间的关系；S5）：计算载流子掺杂与ZrNBr和HfNBr纳米薄膜电子结构和热电性质的关系。2.根据权利要求1所述的过渡金属氮卤化合物热电特性掺杂纳米结构的研究方法，其特征在于：S1）中的物理模型的结构性质分析方法为，基于ZrNBr和HfNBr的最佳薄膜结构，计算出相应的电子能带带隙、总态密度和分态密度。3.根据权利要求1所述的过渡金属氮卤化合物热电特性掺杂纳米结构的研究方法，其特征在于：S2）中计算ZrNBr和HfNBr的塞贝克系数和电导随温度的变化规律的方法为，根据计算出的空穴和电子有效质量和弛豫时间，得出ZrNBr和HfNBr的电子热导、晶格热导和热电优值与温度、载流子掺杂浓度的关系。4.根据权利要求1所述的过渡金属氮卤化合物热电特性掺杂纳米结构的研究方法，其特征在于：S3）中，优选表面电子结构的方法包括如下步骤，T1）：在全电势线性增广平面波与仿真程序包VASP相结合的情况下，实现对ZrNBr和HfNBr结构的优化；T2）：根据优化的参数构造ZrNBr和HfNBr的物理结构，并对所述物理结构进行结构优化，对物料结构优化时平面波设置的能量阈值为500 eV；T3）：...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘新宇，原绍恒，顾波，张红涛，王亚辉，师永彪，
申请(专利权)人：华北水利水电大学，
类型：发明
国别省市：