Introduktion till termoelektriska material

Thermoelectric material omvandlar temperaturgradienter direkt till elektrisk spänning genom Seebeck effekt, och omvänt, kan de pumpa värme när en elektrisk ström tillämpas. Denna solid state energiomvandlingsförmåga gör dem attraktiva för avfall värmeåtervinning, bärbar kylning och djup strömgenerering. Effektiviteten av ett termoelektriskt material fångas av den dimensionslösa siffran för merit [[[[G]]]][Gud[[[[[[[[[L]]]]]]]]]]]][[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[L]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]

Quantum Mechanical Modeling Techniques

Först-principer beräkningar baserade på kvantmekanik gör det möjligt för forskare att förutsäga elektroniska, vibrations- och transportegenskaper av material utan empirisk montering. Den mest använda metoden är densitet funktionell teori (DFT), som balanserar noggrannhet och beräkningskostnad. Men för termoelektriska material med komplexa elektroniska strukturer - som smala band luckor, tunga element eller stark elektron korrelation - mer avancerade metoder krävs ofta. Dessa tekniker kan avslöja den underliggande elektroniska strukturen som styr transport koefficienter och slutligen.

Densitet Funktionell teori (DFT)

DFT löser den många-elektron Schrödinger ekvation genom att kartlägga den till en uppsättning av enpartikel ekvationer (Kohn-Sham ekvationer) med hjälp av en utbyteskorrelation funktionell. För termoelektriska material, DFT är rutinmässigt anställd för att beräkna den elektroniska bandstrukturen, densiteten av statliga material (DOS) och kristall orbital Hamilton population (COHP). Dessa utgångar hjälper till att identifiera funktioner som banddegeneritet, platta bandetablers-metaller inverkan

Utöver DFT: Avancerade metoder

Medan DFT ger en bra utgångspunkt, blir dess begränsningar uppenbara i system med starka elektron-elektron interaktioner eller där quasiparticle energier behövs för noggranna transport koefficienter. GW approximation (Greens funktion G och screenade CoulombQ-interaktion W ) korrigerar bandgapet och dispersionen genom att införliva självenergieffekter.

Nyckel Elektroniska Egenskaper Från Modelering

Kvantmekaniska simuleringar extrahera en uppsättning elektroniska deskriptörer som direkt ansluter till termoelektrisk prestanda. Förstå hur varje deskriptör uppstår från atom- och elektronisk struktur gör det möjligt för forskare att screena och optimera material beräkningsmässigt före experimentell syntes.

Band Gap och effektiv massa

Bandet gap bestämmer driftstemperaturintervallet: smala gap halvledare (0.1-0.5 eV) är vanligtvis optimala för rumstemperatur till måttliga temperaturapplikationer. DFT och GW beräkningar kan förutsäga gapet med rimlig noggrannhet. Effektiva massor (]]]m*]) av elektroner och hål nära bandkanterna styra den elektriska ledningsförmågan: lättare bärare leder till högre rörlighet, men en mycket lätt massa kan minska Seebeck-mo-morestankörningsfaktorn ofta.

Täthet av stater och Seebeck Coefficient

Seebeck koefficient ]S]] beror starkt på asymmetrin i DOS runt Fermi-nivån. En kraftig ökning av DOS på ena sidan av Fermi-nivån (t.ex. en brant bandkant eller resonanstillstånd) kan skapa en stor Seebeck koefficient utan att offra konduktivitet för mycket. För-principer beräkningar av DOS, i kombination med Boltzmann transportekvation inom ständighetstidsavslappning 3.

Designa nya termoelektriska material

Riktade av kvantmekaniska insikter har forskare identifierat flera familjer av lovande termoelektriska. Den gemensamma designstrategin är att uppnå ett "fonon-glas, elektron-kristall" system: hög elektrisk ledningsförmåga som är typisk för ett kristallint material kombinerat med extremt låg lattice termisk ledningsförmåga karakteristiskt för ett glas. First-principles beräkningar hjälper till att upptäcka sådana material genom screening för elektroniska band som är både platta (för hög Seebeck koefficient) och dispersiv (för hög rörlighet) samtidigt som kallas "konceptering ", ", ", ", ", ", ", "bekantig"

  • ]Layered material:[ Föreningar som Bi2Te3, SnSe och GeSe har svaga van der Waals bindningar mellan lager, som effektivt sprider värmebärande fononer samtidigt som man bevarar god elektronisk transport i plan. DFT-studier har visat att den elektroniska strukturen av dessa material har flera dalar och stark aharmonicitet, både fördelaktigt för termoelektrisk prestanda.
  • ]Complex chalcogenides:] Material som AgSbTe2, Cu2Se och PbTe-baserade legeringar uppvisar låg termisk ledningsförmåga på grund av inneboende störning eller flytande likhet med cations. Quantum mekanisk modellering har visat att resonanta tillstånd nära Fermi-nivån i PbTe doped med Tl eller Na förbättrar Seebeck koefficient bortom vad som förväntas från doping.
  • ]Clathrates and cage compounds:] I klathrater som Ba8Ga16Si30, gästatomer "rattle" inom överdimensionerade burar, starkt spridning av fononer utan att störa värdramens elektroniska ledning. DFT beräkningar förutspår att optimering av burstorleken och gäst-host interaktion kan minska termisk ledningsförmåga till nära-amorfa nivåer samtidigt som man behåller halvledande transport.
  • ] Half-Heusler legeringar:] Dessa intermetalliska föreningar (t.ex. MNiSn, MCoSb där M = Ti, Zr, Hf) erbjuder hög mekanisk stabilitet och god elektrisk ledningsförmåga. Första principer screening av tusentals möjliga halv-Heusler kompositioner har identifierat nya kandidater med förbättrade kraftfaktorer, ofta genom att ersätta tunga element för att minska termisk ledningsförmåga utan att försämra elektronisk rörlighet.
  • Entropy-stabiliserade och högentropimaterial: Nyligen arbete med högentropilegeringar och entropy-stabiliserade keramikhävstångseffekter atomsjukdom för att minska lattice thermal conductivity. DFT kombinerat med klusterexpansionsmetoder kan utvärdera effekterna av störningen på elektroniska band och förutsäga kompositioner där störningen inte allvarligt påverkar laddningstransporten.

Utmaningar och framtida riktningar

Trots betydande framsteg kvarstår flera utmaningar. Elektroniska strukturberäkningar för realistiska termoelektriska material måste redogöra för atomsjukdom, defekter och nanoscale strukturering - som alla påverkar både elektroniska och vibrationella egenskaper. Modelleringsstörda system kräver stora superceller eller speciella kvasirandomsstrukturer (SQS) för att fånga konfigurationsentropin och lokala variationer. Dessutom kräver elektron-foninteraktioner och deras inflytande på elektriska och termiska transporter fortfarande dyrt för att beräkna från första principer, begränsa deras höga effekt i hög skärmsmätning.

En annan utmaning ligger i den exakta förutsägelsen av lattice thermal conductivity Ḳ ph. Medan DFT-baserade lattice dynamik (t.ex. med hjälp av phonon Boltzmann transportekvation) kan ge tillförlitlig Ḳ ph för beställda kristaller, polykrystallin och nanostructured material uppvisar ytterligare scattering mekanismer (korn gränser, punktfel, nanoprecipitates) som är svåra att modellera från grunden. Integrering av atomistiska beräkningar med effektiva med effektiva medeltorisk odlingsförmåga

Ser fram emot, integrationen av kvantmekaniska modeller med hög genomströmning beräkningskontroll och maskininlärning accelererar upptäckten av nya termoelektriska material. Databaser som materialprojektet, OQMD och AFLOW innehåller miljontals beräknade egenskaper; koppling dessa med prediktiva modeller för ] ZT kan begränsa kandidatkompositioner för experimentell testning. Aktiva inlärningsalgoritmer kan vägleda nästa uppsättning av beräkningar av kemiskalaxorationer.

Experimentell validering är fortfarande avgörande. I situ eller operando tekniker, såsom synkrotron röntgen diffraktion och transport mätningar under tryck, kan ge feedback för att förfina beräkningsmodeller. Kombinera kvantmekanisk modellering med experimentell syntes och karakterisering bildar en kraftfull slinga för material upptäckt.

Slutsats

Quantum mekanisk modellering har utvecklats från ett kompletterande verktyg till en hörnsten i termoelektrisk materialforskning. Genom att ge en detaljerad atomnivå förståelse av elektronisk struktur, DFT och avancerade utöver-DFT metoder gör det möjligt för forskare att identifiera nyckelbeskrivningar, skärm nya föreningar och ingenjörsmaterial med optimerad prestanda. Pågående utveckling i metod noggrannhet, beräkningskraft och datadrivna metoder lovar att ytterligare accelerera utformningen av termoelektriska material för hållbar energiomvandling.

] ]