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载流子掺杂、带隙和电子弛豫时间在半导体热电性质玻尔兹曼输运计算中的作用

DOI：10.2320/matertrans.e-m2018813 期刊：MATERIALS TRANSACTIONS 出版年份：2018 更新时间：2025-09-23 15:23:52
摘要： 尽管对材料热电性质的第一性原理预测需求日益增长，但玻尔兹曼输运计算中各类误差的影响不容忽视。我们以典型半导体（硅）为对象，在不同温度T下进行标准第一性原理计算与玻尔兹曼输运分析，通过改变带隙?g、电子弛豫时间?el和声子热导率?ph，揭示这些参数如何影响作为载流子掺杂水平函数的计算热电性质。双极传导会通过降低塞贝克系数S并提高有效洛伦兹因子Leff而大幅降低zT，这表明足够宽的带隙（数倍kBT或更高）对实现高zT至关重要。因此，第一性原理计算中常见的带隙低估可能导致窄带隙半导体计算出现重大误差。未计入佩尔帖热导率的电子热导率计算会使典型半导体的zT限制在1以下。要实现高zT，需要?ph/?el（反映材料作为声子玻璃-电子晶体的程度）保持较小值。将计算结果与实验热电性质拟合显示，根据温度T和样品差异，?el可在1011?至1011?秒范围内变化一个数量级，这说明对热电材料采用固定弛豫时间的做法并不恰当。
作者： Yukari Katsura，Hidenori Takagi，Kaoru Kimura
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研究概述 实验方案 设备清单

研究目的

为了研究玻尔兹曼输运计算中的误差如何影响热电性质的预测，重点关注带隙、电子弛豫时间和声子热导率等参数。

研究成果

研究表明，准确预测热电性能需要仔细考虑带隙、电子弛豫时间和声子热导率。密度泛函理论（DFT）计算中带隙的低估会导致显著误差，尤其对窄带隙半导体而言。包含珀尔帖热导率对于实现zT值高于1至关重要。电子弛豫时间随温度和样品条件变化，表明固定值并不适用。未来工作应聚焦于降低电子结构计算的误差，并纳入更精确的传输模型。

研究不足

本研究仅以硅作为模型体系，结果可能不适用于所有半导体。第一性原理计算存在固有误差，例如密度泛函理论中带隙被低估的问题。采用恒定弛豫时间近似被认为不恰当，但更精细的方法未完全实施。实验数据拟合依赖于对材料纯度和微观结构的假设。

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