趙紫軒

摘要：熱能能夠通過熱電材料的載流子作用轉(zhuǎn)換成電能，過程中無任何污染，進而緩解能源問題的同時保護了環(huán)境。目前熱電材料的研究是當代的一個熱點，最核心的是解決熱電材料的轉(zhuǎn)換率，其實質(zhì)就是提高熱電材料的熱電優(yōu)值（ZT值）。第三代寬禁帶半導體中的氮化物，具有較高的塞貝克系數(shù)，是很有潛力的熱電材料，但是由于熱導率較高導致了ZT值較低，這里對GaN進行了In元素的合金化，對其熱電性質(zhì)進行優(yōu)化。計算主要采用了第一性原理和玻爾茲曼理論，對N型InGaN的電子結(jié)構(gòu)和熱電性質(zhì)進行了計算，結(jié)果得到InGaN的ZT值在1100 K時達到了0.048，和已知GaN的ZT值相比性能提高了153%，合金化顯著的提高了氮化物的熱電轉(zhuǎn)換效率。

關(guān)鍵詞：InGaN；第一性原理；熱電優(yōu)值

1 緒論

現(xiàn)如今的能源問題越來越嚴重，環(huán)境問題也變成了首要的焦點，對于能源和環(huán)境的治理是全世界都密切重視的問題。熱電材料可以利用載流子的作用將熱能和電能之間進行轉(zhuǎn)換，但是由于熱電材料將熱能轉(zhuǎn)換成電能的效率不高，使得其沒有能夠普遍應用到實際中，目前尋找高轉(zhuǎn)換效率的熱電材料成為目前研究的重點。[1]本文通過對三族氮化物GaN進行In元素的合金化，對其合金進行熱電性質(zhì)的計算研究。

2 研究方法

本文采用平面波贗勢的方法對InGaN的晶體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化計算，圖1是計算采用的晶胞示意圖。在模擬計算中，采用廣義梯度近似PerdewBurkeErnzerhof （GGAPBE）形式的交換關(guān)聯(lián)泛函，[2]體系的總能量小于5×106 eV/atom，每一個原子上的作用力小于0.01 eV/A。，計算中所采用的K網(wǎng)格密度為MonkhorstPack形式的5×5×3的網(wǎng)格。

熱電性質(zhì)的計算采用的K點為21×21×21的MonkhorstPack型的網(wǎng)格，然后采用基于玻爾茲曼理論的BoltzTraP軟件進行熱電性質(zhì)的計算。[3]

3 輸運性質(zhì)

圖2是N型InGaN塞貝克系數(shù)隨載流子濃度的變化關(guān)系。如圖2所示InGaN的塞貝克系數(shù)隨載流子的增加逐漸增加，在1100 K時，出現(xiàn)了先減小后增加的趨勢，主要是由于禁帶寬度小所致。[4]

圖3是N型InGaN的ZT值隨載流子濃度的變化關(guān)系趨勢。如圖3所示，InGaN的ZT值呈現(xiàn)了先增加后減小的趨勢，出現(xiàn)了最大值，在載流子濃度一定時，ZT值在溫度增加時出現(xiàn)了增加的趨勢。在溫度為1100 K時，ZT值的最大值為0048。對比以前報道的N型GaN的ZT值0.019，[5]性能的提升了153%。

4 總結(jié)

本文采用第一性原理和玻爾茲曼理論對InGaN合金進行了電子結(jié)構(gòu)和熱電性質(zhì)的計算，計算結(jié)果顯示N型InGaN的ZT值為0.048相對報道的GaN的ZT值提升了153%，可以有效的說明，合金化對氮化物的熱電性質(zhì)的提升比較顯著。

參考文獻：

[1]Sztein A，Haberstroh J，Bowers J E，Denbaars S P，Nakamura S 2013J.Appl.Phys.113 021102.

[2]Tong H，Zhao H，Tansu N 2009Proceedings of SPIE The International Society for Optical Engineering 6 309.

[3]Ong K P，Singh D J，Wu P 2011Phys.Rev.B 83 115110.

[4]Parker D，Singh D J 2010J.Appl.Phys.108 083712.

[5]Singh D J，Mazin I I 1997Phys.Rev.B 56 R1650.