CN113987766A - 一种计算掺镧钛酸锶热电性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种计算掺镧钛酸锶热电性能的方法。计算方法包括：通过设计得到掺镧钛酸锶的热电性能；使用VASP对晶胞进行几何优化，获得与原始结构相同的晶格参数；结构优化计算后开始进行自洽计算，用得到的电荷文件计算态密度和能带结构，通过态密度输入文件得到BoltzTraP2文件，也就得到了载流子浓度和热电系数随温度的变化关系。通过本发明提供的掺镧钛酸锶计算热电性能方法可以得到弛豫时间、载流子浓度、霍尔因子、电子热导率、洛伦兹数和态密度有效质量随温度的变化；本发明操作简单快捷，易于推广。
Description
技术领域
本发明涉及一种计算掺镧钛酸锶热电性能的方法，属于热电材料的性能技术领域。
背景技术
随着化石燃料储量的减少和对环境保护的日益重视，可再生能源是当今能源挑战的答案，清洁高效的能源替代了传统的化石燃料人们对开发新能源技术越来越感兴趣。热电材料因能将热流直接转化为电能而备受关注。
热电材料基于塞贝克效应将热量转换为电能，人们可以使用ZT来描述转换效率。ZT＝σS2T/(κe+κl)与其他参数相关，其中σ、S、T、κe和κl分别是电导率、塞贝克系数、温度、电子热导率和晶格热导率。通常我们从两个方面提升材料的ZT值：一方面提高材料的功率因子σS2，另一方面就是降低材料的热导率κ。提升材料的功率因子需要提升塞贝克系数S和电导率σ，降低热导率κ。但这通常不能同时进行，往往随着载流子浓度的提升，该材料的塞贝克系数降低，电导率不断提升，且热导率受载流子浓度和晶格声子的影响，载流子浓度提升，热导率也得到了提升。因此使用本方法，目的是通过对材料的掺杂来改变材料的功率因子和热导率。
SrTiO3基热电材料是一种钙钛矿结构的氧化物热电材料，具有非常好的元素掺杂特性,能够在元素掺杂浓度较高的情况下,保持其钙钛矿结构。SrTiO3基热电材料晶格稳定性好、可塑性强；La掺杂单晶SrTiO3样品表现出与Bi2Te3材料相媲美的功率因子。SrTiO3材料应用的主要限制是热导率较高,导致其热电优值较低。因此为使SrTiO3材料能够实际应用,其关键点在于保证SrTiO3材料电性能的同时尽可能降低材料的热导率。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种计算掺镧钛酸锶热电性能的方法。通过对掺镧钛酸锶进行第一性原理计算，可以得到不同浓度下，弛豫时间、载流子浓度、霍尔因子、电子热导率、洛伦兹数和态密度有效质量随温度的变化，操作简单快捷。
为了实现上述目的，本发明提供了一种计算掺镧钛酸锶热电性能的方法，包括以下步骤：
(1)利用VASP计算软件进行结构优化计算，截止能量设置为410eV，按照VASP默认的计算参数进行计算，获得优化后的晶胞结构。
(2)结构优化计算达到收敛后，开始进行自洽计算，进行计算时，获取被计算材料的晶胞边长a，b，c，接下来将被计算材料在三维空间中的高对称K点设置为30/a，30/b，30/c；利用VASP软件进行能带结构计算，调节CMBJ，使能带结构产生合适的带隙；利用VASP软件进行态密度计算，进行计算时设置被计算材料在三维空间中的高对称K点。
(3)基于步骤(2)算得的态密度，进行BoltzTraP2计算，进行计算前对钛酸锶结构掺杂不同百分比的镧，计算温度区间设置为325K到850K，从而获得弛豫时间、载流子浓度、霍尔因子、电子热导率、洛伦兹数和态密度有效质量随温度变化的关系。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
(1)本发明在整个计算过程中没有涉及到实验和化学用品，操作简单快捷，易于推广，且不会产生化学污染。
(2)本发明通过计算可以预测掺镧钛酸锶这种材料的热电性能，通过计算可以得到掺杂后材料的费米能级的变化，和不同浓度下洛伦兹数随温度的变化。节约了时间和化学药品，在实际生产中起到了指引作用。
(3)通过本发明计算可以得到掺杂化合物的能带图，并能够清晰的观察到不同含量下的洛伦兹数随温度变化的关系。
附图说明
图1是实施例的能带结构图。
图2是实施例的洛伦兹数随温度变化的关系。
具体实施方式
下面结合具体实施例本发明作进一步的详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
(1)利用VASP软件计算，对钛酸锶晶体结构进行结构优化，获得优化后的晶胞结构，使用VASP软件进行计算时截至能量设置为410eV。
(2)结构优化计算后开始进行自洽计算，从而进行态密度和能带结构计算，高对称K点设置为6*6*6。
用VASP软件进行自洽计算，钛酸锶的晶格常数分别为
此时高对称K点设置为6*6*6；计算能带结构时，将CMBJ设置为1.32，1.0079和1.3，产生3.28eV的带隙；计算态密度时，高对称K点设置为41*41*41。
(3)基于步骤(2)算得的态密度，进行BoltzTraP2计算，从而获得弛豫时间、载流子浓度、霍尔因子、电子热导率、洛伦兹数和态密度有效质量随温度变化的关系。
步骤3.1，进行BoltzTraP2计算前对钛酸锶结构掺杂镧，此时为Sr0.82La0.18TiO3结构，计算温度区间设置为325K到850K。
实施例2
(1)利用VASP软件计算，对钛酸锶晶体结构进行结构优化，获得优化后的晶胞结构；使用VASP软件进行计算时截至能量设置为410eV。
(2)结构优化计算后开始进行自洽计算，从而进行态密度和能带结构计算，高对称K点设置为6*6*6；用VASP软件进行自洽计算，钛酸锶的晶格常数分别为
此时高对称K点设置为6*6*6。计算能带结构时，将CMBJ设置为1.32，1.0079和1.3，产生3.28eV的带隙；计算态密度时，高对称K点设置为41*41*41。
(3)基于步骤(2)算得的态密度，进行BoltzTraP2计算，从而获得弛豫时间、载流子浓度、霍尔因子、电子热导率、洛伦兹数和态密度有效质量随温度变化的关系；进行BoltzTraP2计算前对钛酸锶结构掺杂镧，此时为Sr0.78La0.22TiO3结构，计算温度区间设置为325K到850K。
上述实例方法可以获得弛豫时间、载流子浓度、霍尔因子、电子热导率、洛伦兹数和态密度有效质量随温度变化的关系；操作简单快捷，易于推广，对实际生产起到了指导作用。
图1为能带结构图，由图可以看出导带的最低点和价带的最高点不在同一点上，因此属于间接带隙,La掺杂SrTiO3改变了费米能级。
图2为洛伦兹数随温度变化图，由图可以看出掺杂浓度的提升会增加洛伦兹数，并且随着温度的升高洛伦兹数降低。
尽管上面已经通过结合示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该清楚，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可对本发明的示例性实施例进行各种修改和改变。
Claims (1)
1.一种计算掺镧钛酸锶热电性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)利用VASP计算软件对钛酸锶进行结构优化计算，截止能量设置为410eV，按照VASP默认的计算参数进行计算，获得优化后的晶胞结构；
(2)结构优化计算达到收敛后，开始进行自洽计算，进行计算时，获取被计算材料的晶胞边长a，b，c，接下来将被计算材料在三维空间中的高对称K点设置为30/a，30/b，30/c；
利用VASP软件进行能带结构计算，调节CMBJ，使能带结构产生合适的带隙；
利用VASP软件进行态密度计算，进行计算时设置被计算材料在三维空间中的高对称K点，设置为210/a，210/b，210/c；
(3)基于步骤(2)算得的态密度，进行BoltzTraP2计算，进行计算前对钛酸锶结构掺杂不同百分比的镧，计算温度区间设置为325K到850K，从而获得弛豫时间、载流子浓度、霍尔因子、电子热导率、洛伦兹数和态密度有效质量随温度变化的关系。
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