Вступ до термоелектричних матеріалів

Термоелектричні матеріали перетворюють температурні градієнти безпосередньо на електричну напругу через ефект Seebeck, а навпаки, вони можуть накачувати тепло, коли наноситься електричний струм. Ця твердотільна енергія перетворення енергії робить їх привабливими для відновлення тепла відходів, переносного охолодження та глибокого проникнення потужності. Ефективність термоелектричної матеріалу захоплюється безмірною фігурою мелірування ZT = (S2σT) абсолютна температура ]S] - коефіцієнт Seebeck, σ є електричною провідністю, [F:2[FLT

Квантова техніка механічного моделювання

В першу чергу розрахунки на основі квантової механіки дозволяють дослідникам прогнозувати електронні, вібраційні та транспортні властивості матеріалів без емпіричної фітинги. Найбільш широко використовуваний підхід - це теорія функціональної щільності (DFT), яка балансує точність та обчислювальну вартість. Однак для термоелектричних матеріалів з складними електронними структурами - наприклад, вузькі розриви смуг, важкі елементи, або сильного електронного кореляції. Найчастіше необхідні ці методики можуть виявити базову електронну структуру, яка регулює коефіцієнти транспорту і в кінцевому підсумку ввімкнути раціональні стратегії проектування.

Функція теорії щільності (DFT)

DFT вирішує багатоелектронне рівняння Шредінгера, набравши його на набір одночастинкових рівнянь (контракторні рівняння Конь-Шам) з використанням функціонального обміну. Для термоелектричних матеріалів DFT є рутинно зайнятим для обчислення структури електронних смуг, щільності станів (DOS), а також кристалів орбітального рівня Гамільтону (COHP). Ці результати допомагають визначити функції, такі як дегенерація смуги, плоскі смуги біля рівня Ферми, а позиція хімічного потенціалу — в цілому, що впливають на коефіцієнт Seebeck та електричну провідність. Наприклад, високошвидкісна корекція Gient, що вирівнюється в енергетичному факторі потужності, що посилюється, що надходить у енергозбереження, що надходить у .

За межами DFT: розширені підходи

При цьому DFT забезпечує хороший початковий пункт, його обмеження стають видимими в системах з сильною електрон-електронною взаємодією або де необхідні енергій квазічастинкових джерел для точного транспорту. Наближення GW ( Функція «зеленої» G та на екрані взаємодії коульбів W) корегує розрив смуги та дисперсія шляхом неправильного самоенергетичного впливу. Гібридні функції, такі як HSE06, змішаний фракційний електродинамік, що використовується для напівлокального обміну, додаючи смуги, які часто згодні з експериментом. Для термоелектричних матеріалів, ці методи є вирішальними, коли точне значення (<0.5 Ebeck

Основні електронні властивості від моделювання

Квантове механічне моделювання вилучення набору електронних дескрипторів, які безпосередньо з’єднуються з термоелектричним виконанням. Розуміння того, як кожен дескриптор виникає з атомної та електронної структури дозволяє дослідникам переглядати та оптимізувати матеріали, що обчислюються до експериментального синтезу.

Гурт Gap та ефективна маса

Розгалуження смуги визначає діапазон робочих температур: вузькогапні напівпровідники (0.1–0.5 eV) зазвичай оптимальні для кімнатно-температурних до помірно-температурних додатків. DFT і GW розрахунки можуть прогнозувати розрив з розумною точністю. Ефективні маси (]m*]) електронів і отворів біля гран-об'єктивних країв контроль електричною провідністю: більші переносні пристрої призводять до більшої мобільності, але дуже легка маса може зменшити коефіцієнт Seebeck. Баланс часто застрягає інженерною групою дегенература—наприклад, в PbTe, багаторазовий підбірний підбірник maxima сприяє високому хімічному зсуву або хімічному механізму.

Щильність держав і дивацького коефіцієнта

Коефіцієнти Seebeck S залежать від асиметрії DOS навколо рівня Фермі. Різке збільшення DOS з одного боку рівня Фермі (наприклад, крутий край смуги або резонансний стан) може створити великий коефіцієнт Seebeck без різкої провідності занадто багато. По-перше, коливання даних DOS, поєднаний з болтамиS і експериментальним фактором живлення. Ці моделювання можуть бути використані також більш активно, включаючи електроприводи, які можуть бути використані, щоб забезпечити, щоб забезпечити оптимальний рівень транспорту S] і експериментальний коефіцієнт живлення. Ці моделювання можуть бути використані також можуть бути використані, щоб бути використані, щоб забезпечити більш абзалежні, щоб забезпечити, щоб забезпечити, щоб забезпечити, щоб забезпечити, щоб забезпечити абзалежний, щоб забезпечити абзалежний, щоб забезпечити абзалежний, щоб забезпечити, щоб забезпечити абзалежний, щоб забезпечити, щоб забезпечити, щоб забезпечити абенти, щоб забезпечити, щоб забезпечити абенти, щоб забезпечити, що аб

Розробка термоелектричних матеріалів

Напрямок квантових механічних інсайтів, дослідники виділили кілька сімей перспективних термоелектриків. Поширена стратегія дизайну полягає в досягненні системи «фононо-скло, електрон-кристал»: висока електропровідність, характерна для кристалічного матеріалу, що поєднує в собі надзвичайно низьку теплопровідність решіток, характерну для скла. Спочатку-опренчі розрахунки допомагають виявити такі матеріали, скринінгом для електронних смуг, які є як плоским (для коефіцієнта високих точок) і диспергетичним (для високої рухливості) одночасно, поняття, відомий як «банічна інженерія».

  • Основні матеріали:Компаунди, як Bi2Te3, SnSe, і GeSe мають слабкі вандер Вальсові зв'язки між шарами, які ефективно розсіюють теплоносій фонони, зберігаючи хороший в літаку електронний транспорт. Дослідження DFT показали, що електронна структура цих матеріалів має декілька долини і сильну арматурність, як вигідно для термоелектричної продуктивності.
  • Комплексні халкогениди: Матеріали, такі як AgSbTe2, Cu2Se, і PbTe‐на основі сплавів, експонуються низькою теплопровідністю через внутрішньоінституційне розлад або рідке мобільність цитування. Кванічне механічне моделювання показали, що резонансні стани біля рівня Фермі в PbTe, що дихають Tl або Na, підвищують коефіцієнт Seebeck за межі того, що очікується від простого допінгу.
  • Clathrates and cage сполук: У клаттратах, як Ba8Ga16Si30, гість атомів “ракет” в негабаритних клітках, сильно розсіюючи фонони без порушення електронної провідності хостових патронів. Розрахунок DFT прогнозують, що оптимізація розміру клітки і гість-host взаємодія може зменшити теплопровідність до найближчих морфологічних рівнів при підтримці напівпровідного транспорту.
  • Half‐Heusler сплави: Ці міжметалічні сполуки (наприклад, MNiSn, MCoSb де M = Ti, Zr, Hf) пропонують високу механічну стійкість та хорошу електропровідність. Перші ‐principles скринінг тисяч можливих напівкерівських композицій визнали нові кандидати з поліпшеними факторами живлення, часто за рахунок заміни важких елементів для зменшення теплопровідності без деградації електронної мобільності.
  • Entropy‐stabilized і високототропні матеріали: Останні роботи на високототропних сплавах і ентропі-стабілізованих керамічних важелях атомного розладу для зменшення теплопровідності решіток. DFT поєднується з методами розширення кластера може оцінити вплив розладу на електронні смуги і прогнозувати склади, де розлад не сильно впливає на зарядний транспорт.

Виклики та перспективи

Незважаючи на значний прогрес, залишаються кілька викликів. Електронні структури розрахункові для реалістичних термоелектричних матеріалів повинні враховуватися для анатомічного розладу, дефектів та нанорозмірних структурування — в цілому з яких впливають як електронні, так і вібраційні властивості. Моделювання порушень систем вимагає великих надклітинних або спеціальних квазіраномних структур (SQS) для захоплення конфігураційної ентропії та локальних варіацій. Крім того, електрон-фононні взаємодії та їх вплив на електро- та тепловий транспорт все ще дорого компралювати з перших принципів, обмежуючи їх використання в високопродуктивному скринінгу.

Ще одним завданням є точний прогноз теплопровідності ttice κ ph. Хоча DFT‐на основі динаміки решіток (наприклад, за допомогою фонону Boltzmann транспортне рівняння) може дати надійний κ ph для замовлених кристалів, полікристалічних та наноструктурованих матеріалів, які виводяться додаткові механізми розсіювання (погони, точні дефекти, нанорецепти), які важко моделювати з нуля. Інтеграція атомістичних обчислень з ефективністю середні теорії або машини, що керують міжатомічні потенціали є перспективним маршрутом для міст цей проміжок.

Дивлячись вперед, інтеграція квантових механічних моделей з високопродуктивним обчислювальним екрануванням та машинним навчанням є прискорення відкриття нових термоелектричних матеріалів. Бази даних, таких як Проект матеріалів, OQMD та AFLOW містять мільйони комп’ютерних властивостей; копіювання цих з прогнозними моделями для ZT] може вузькі кандидатські композиції для експериментального тестування. Інтенсивні алгоритми навчання можуть направляти наступний набір обчислень на основі невизначеності кількісного визначення, що робить дослідження хімічної площі більш ефективним.

Експериментальна перевірка залишається важливим. У техніках ситу або оперно-персоні, таких як синхронний рентгенівський дифракція та транспортні вимірювання під тиском, можуть надати зворотний розрахунок моделей обчислювальних систем. Комбінування квантової механічної моделі з експериментальним синтезом та характеризацією утворює потужну петлю для відкриття матеріалів.

Висновок

квантове механічне моделювання розвивалася з додаткового інструменту в кутовий камінь дослідження термоелектричних матеріалів. Надаючи детальне розуміння рівня атомно-рівневої електронної структури, DFT та передові методи DFT дозволяють дослідникам визначити ключові дескриптори, екранні нові сполуки та інженерні матеріали з оптимізованою продуктивністю. Навчаючи розробки в методі точності, обчислювальної потужності, і методи обробки даних, які обіцяють подальше прискорення дизайну термоелектричних матеріалів для сталого перетворення енергії. Як розв'язуються проблеми розладу та багатофізики, синергія квантових імітацій і експеримент продовжуватимуть приводити інновації в цій галузі.

Попередня довідка: