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热电优值(ZT)是衡量热电材料在热电器件应用中能量转换效率的重要参数。然而,目前还没有完整地发展出一套针对有机半导体材料热电优值计算的理论模型。本论文从第一性原理的层次出发,对有机材料热电优值的理论计算进行了一些探索。
我们提出了一套计算有机半导体热电性质的理论方法,以四种α酞菁晶体作为例子,通过第一性原理的电子能带计算,结合玻尔兹曼输运方程和形变势理论计算电子的输运性质,并通过非平衡分子动力学计算声子输运。在电子输运的计算中,我们没有采用传统的常数弛豫时间近似,而是从第一性原理出发、通过形变势近似计算电声耦合矩阵元,在费米黄金规则下计算得到了弛豫时间。我们计算得到了常温下酞菁的Seebeck系数,与实验值相当匹配,验证了我们的计算方法的合理性。同时,我们计算了有机晶体的载流子掺杂浓度对热电优值的影响。计算结果表明酞菁体系在n型掺杂的情况下可以获得更好的热电性能,NiPc在最佳掺杂浓度-1.5×1020 cm-3下,得到了最高的热电优值ZT=2.5。
本论文的另一工作是对sp-sp2杂化的三种石墨炔单层材料的电子输运性质进行了理论研究。石墨炔和石墨烯的能带特征一样,都具有线性色散的狄拉克锥的特殊结构,在狄拉克点附近的载流子可以达到很高的群速度,因而能达到高迁移率。我们同样基于第一性原理进行能带计算,通过形变势理论描述石墨炔的电声相互作用,并在玻尔兹曼输运方程的框架下计算了石墨炔二维材料在常温下的本征载流子迁移率。与石墨烯的计算结果相比,6,6,12-石墨炔的载流子迁移率比石墨烯的更大。我们从结构上分析原因,石墨炔中的sp-sp2杂化成键结构,比石墨烯中的双键结构,更能够减小平面内的电子-声子散射作用。我们计算的6,6,12-石墨炔的迁移率表现了明显的各向异性,在室温下空穴和电子的本征迁移率分别高达4.29×105 cm2 V-1s-1和5.41×105 cm2 V-1 s-1,比石墨烯计算的迁移率(~3×105 cm2 V-1 s-1)更高。这预示着石墨炔是一种具有潜在应用价值的高迁移率的二维材料。
综上所述,在本论文中,这一套形变势理论与玻尔兹曼输运方程相结合的方法,被成功运用到酞菁体系的热电性质以及石墨炔的迁移率计算中,并给出了比较合理的结果,证实了这一方法的可靠性和准确性。