Bi2Te3-xSex(X≤3)同晶化合物电子结构的第一性原理研究

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理全势能线性缀加平面波方法(FLAPW),分析了Bi2Te3-xSex体系中各原子自旋轨道耦合(SOI)的p1/2修正对体系性质的影响,并对Bi2Te3-xSex(x≤3)同晶化合物的电子特性进行系统的理论研究,首次计算出Bi2Se2Te的电子特性.计算结果表明:对于Bi2Te3-xSex体系中的Te原子和Bi原子考虑SOI的p1/2修正,对体系费米能级附近能带结构的计算分析尤为重要,而对于Bi2Se2Te和Bi2Te2Se中的Se原子是否考虑SOI的p1/2修正对费米能级附近的能带结构无显著影响;Bi2Te3-xSex(x≤3)均为间接带隙窄带半导体,体系在费米能级附近Γ点的能带趋势相近,强的杂化压低了价带的最高峰,使得两个边锋提高,在Γ点形成马鞍点;体系费米能级附近的电子态密度主要来源于各原子p态电子贡献;层间原子成键,X(1)—Bi键比X(2)—Bi键(X=Te,Se)的共价键成分较强;随着体系中Se原子摩尔比的增加,晶胞的体积减小,体系的能量增加,Te(1)—Bi键、Se(2)—Bi键、Se(1)—Bi键的共价键成分逐渐增强.

熔体旋甩法合成n型(Bi0.85Sb0.15)2(Te1-xSex)3化合物的微结构及热电性能

采用熔体旋甩结合放电等离子烧结(MS-SPS)技术制备了单相n型四元(Bi0.85Sb0.15)2(Te1-xSex)3(x=0.15,0.17,0.19,0.21)化合物,并对所得样品的微结构和热电传输性能进行了系统研究.样品自由断裂面的场发射扫描电子显微镜及抛光面的背散射电子成分分析表明:块体材料晶粒细小,晶粒排列紧密,成分分布均匀且相结构单一,样品中存在大量10—100nm的层状结构.随着Se含量x的增加,样品的电导率和热导率逐渐增加,而Seebeck系数逐渐降低.相比商业应用的区熔材料,MS-SPS方法合成的高Se组成的样品均在425K后表现出更高的ZT值,其中(Bi0.85Sb0.15)2(Te0.83Se0.17)3样品具有最高的ZT值,在360K可达到0.96,并在320—500K均保持较高的ZT值,500K时其ZT值相比区熔材料提高了48%.此外,通过调节Se的含量,可以有效地调控材料的ZT峰值出现的温度段,这对多级或梯度热电器件的制备具有重要意义.