本發(fā)明涉及熱電材料性能預(yù)測，具體為一種利用各向異性預(yù)測高功率因子熱電材料的方法。

背景技術(shù)：

1、人類的文明史可以看成一部人類對(duì)于能源的利用史。以第一次工業(yè)革命為界，人類開始了以煤炭作為主要能源的時(shí)代，在第二次工業(yè)革命后，石油成為了人類第二個(gè)大規(guī)模應(yīng)用的化石能源。隨著以煤、石油、天然氣等化石能源的大量使用，人類文明產(chǎn)生了飛躍式的發(fā)展，但在21世紀(jì)的今天，化石能源的地位受到了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，安全、污染、可再生性等問題促使清潔能源的研發(fā)愈加急切，而熱電轉(zhuǎn)換作為一類新興清潔能源轉(zhuǎn)換方式，受到了科研工作者的廣泛關(guān)注。

2、熱電是一類新興的、清潔的、可再生的能源轉(zhuǎn)換方式，其能量轉(zhuǎn)換的原理來自于固體材料中電子在不同溫度下的數(shù)量差異形成的電勢差，由于其能量的轉(zhuǎn)換不涉及類似于化石能源的物質(zhì)狀態(tài)的劇烈變化，因此其具有可再生性，而其在能量轉(zhuǎn)化中無廢氣、無廢料的特點(diǎn)也使其成為清潔能源的一份子。在熱電轉(zhuǎn)換中應(yīng)用到的固體材料稱之為熱電材料，其一般為半導(dǎo)體，往往用熱電優(yōu)值zt表示熱電材料的性能，其表達(dá)式為zt＝s2σt/κ，其中s代表澤貝克系數(shù)，σ代表電導(dǎo)率，κ代表熱導(dǎo)率，t代表溫度。由于澤貝克系數(shù)與電導(dǎo)率均表征了材料的電輸運(yùn)性能，因此s2σ被稱為功率因子(power?factor,pf)。因此，從電輸運(yùn)性能考慮，材料功率因子越高，熱電優(yōu)值也就越高。

3、目前的熱電材料應(yīng)用主要面臨的困難是效率較低，而提升功率因子是有效提升熱電優(yōu)值的手段。功率因子的提升一般通過載流子濃度優(yōu)化、增加能帶簡并等方式實(shí)現(xiàn)，這些方式作為提升功率因子的手段對(duì)于特定材料而言提升空間較為有限，在通過這些方法提升過后的材料的功率因子也很難達(dá)到需求，在實(shí)際操作過程中也面臨著較大的技術(shù)難度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)存在的不足，提供一種利用各向異性預(yù)測高功率因子熱電材料的方法，通過晶體中各向異性較大的兩個(gè)主軸方向上的澤貝克張量分量與電導(dǎo)率張量進(jìn)行預(yù)測具有更佳的功率因子的新方向。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下：

3、一種利用各向異性預(yù)測高功率因子熱電材料的方法，包括如下步驟：

4、s1、確定晶體結(jié)構(gòu)中的兩個(gè)方向m和n，獲得所述晶體結(jié)構(gòu)在所述方向m和所述方向n的原澤貝克張量與原電導(dǎo)率張量，以及所述原澤貝克張量與所述原電導(dǎo)率張量各自在兩個(gè)所述方向m和n的分量，所述方向m和所述方向n分別為第一方向和第二方向，沿逆時(shí)針方向所述第一方向與所述第二方向之間的夾角為90°；

5、s2、確定在兩個(gè)所述方向m和n所構(gòu)成的平面上，兩個(gè)所述方向m和n沿垂直于平面方向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)θ角后的兩個(gè)新方向m'和n'，確定兩個(gè)所述新方向m'和n'下的新澤貝克張量與新電導(dǎo)率張量，以及所述新澤貝克張量和所述新電導(dǎo)率張量與所述原澤貝克張量、所述原電導(dǎo)率張量以及所述θ角之間的關(guān)系；

6、s3、確定新方向m'的新澤貝克系數(shù)以及新電導(dǎo)率與新方向m'的新功率因子之間的關(guān)系，進(jìn)一步推算出新功率因子與原澤貝克張量和原電導(dǎo)率張量各自分別在方向m和方向n的分量、以及θ角之間的關(guān)系。

7、優(yōu)選的，在s3步驟之后增加s4步驟，具體為：確定當(dāng)所述新功率因子最大時(shí)的所述θ角的數(shù)值為θ'。

8、優(yōu)選的，兩個(gè)所述方向m和n的選擇標(biāo)準(zhǔn)為：通過三階澤貝克張量與三階電導(dǎo)率張量各自在晶體結(jié)構(gòu)的主軸a、主軸b和主軸c方向上的分量，選取各向異性相對(duì)較大的兩個(gè)主軸作為兩個(gè)所述方向m和n。

9、優(yōu)選的，所述晶體結(jié)構(gòu)為經(jīng)過第一性原理計(jì)算進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，用于所述三階澤貝克張量與所述三階電導(dǎo)率張量的確定。

10、進(jìn)一步優(yōu)選的，所述優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行自洽計(jì)算以得到電荷密度等電子結(jié)構(gòu)的信息，用于所述三階澤貝克張量與所述三階電導(dǎo)率張量的確定。

11、進(jìn)一步優(yōu)選的，所述優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)行輸運(yùn)性質(zhì)計(jì)算以得到布里淵區(qū)內(nèi)的能量等信息，用于所述三階澤貝克張量與所述三階電導(dǎo)率張量的確定。

12、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

13、本發(fā)明所提供的一種利用各向異性預(yù)測高功率因子熱電材料的方法，通過材料自身的特性，預(yù)測出具有更優(yōu)性能的方向，使得熱電材料在實(shí)際中，無需難度較高的摻雜、熱壓等手段進(jìn)行處理，僅是通過沿一定規(guī)則的角度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，即可得到具有更優(yōu)性能的應(yīng)用方向。

14、本發(fā)明所提供的一種利用各向異性預(yù)測高功率因子熱電材料的方法，應(yīng)用在熱電材料的第一性原理計(jì)算中，多種材料通過預(yù)測能夠較為簡單的篩選出具有潛力實(shí)現(xiàn)高特性的材料。

技術(shù)特征：

1.一種利用各向異性預(yù)測高功率因子熱電材料的方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用各向異性預(yù)測高功率因子熱電材料的方法，其特征在于，在s3步驟之后增加s4步驟，具體為：確定當(dāng)所述新功率因子最大時(shí)的所述θ角的數(shù)值為θ'。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用各向異性預(yù)測高功率因子熱電材料的方法，其特征在于，兩個(gè)所述方向m和n的選擇標(biāo)準(zhǔn)為：通過三階澤貝克張量與三階電導(dǎo)率張量各自在晶體結(jié)構(gòu)的主軸a、主軸b和主軸c方向上的分量，選取各向異性相對(duì)較大的兩個(gè)主軸作為兩個(gè)所述方向m和n。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用各向異性預(yù)測高功率因子熱電材料的方法，其特征在于，所述晶體結(jié)構(gòu)為經(jīng)過第一性原理計(jì)算進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，用于所述三階澤貝克張量與所述三階電導(dǎo)率張量的確定。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的利用各向異性預(yù)測高功率因子熱電材料的方法，其特征在于，所述優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行自洽計(jì)算以得到電荷密度等電子結(jié)構(gòu)的信息，用于所述三階澤貝克張量與所述三階電導(dǎo)率張量的確定。

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的利用各向異性預(yù)測高功率因子熱電材料的方法，其特征在于，所述優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行輸運(yùn)性質(zhì)計(jì)算以得到布里淵區(qū)內(nèi)的能量等信息，用于所述三階澤貝克張量與所述三階電導(dǎo)率張量的確定。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種利用各向異性預(yù)測高功率因子熱電材料的方法，涉及熱電材料性能預(yù)測技術(shù)領(lǐng)域，首先通過確定具有各向異性的兩個(gè)主軸方向，并獲得兩個(gè)主軸方向的澤貝克張量與電導(dǎo)率張量，再確定與兩個(gè)主軸方向呈θ角的新方向的新澤貝克張量與新電導(dǎo)率張量，并由此確定當(dāng)功率因子最大時(shí)的，θ角的取值，由此，對(duì)高功率因子熱電材料進(jìn)行預(yù)測。

技術(shù)研發(fā)人員：楊炯,陳天南
受保護(hù)的技術(shù)使用者：上海大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/10