新合成<bold>Zintl</bold>相化合物<bold>Ba</bold><sub><bold>3</bold></sub><bold>Sn</bold><sub><bold>3</bold></sub><bold>Sb</bold><sub><bold>4</bold></sub>的基本物理性质和热电特性
Abstract
采用第一性原理和玻尔兹曼理论相结合的方法对最近合成的Zintl相化合物Ba<sub>3</sub>Sn<sub>3</sub>Sb<sub>4</sub>的晶体结构、电子结构、弹性性质和热电特性进行了研究. 本文确定了合成Ba<sub>3</sub>Sn<sub>3</sub>Sb<sub>4</sub>时对各元素化学势的要求, 计算的弹性常数和力学稳定判定标准表明Ba<sub>3</sub>Sn<sub>3</sub>Sb<sub>4</sub>具有力学稳定性. 差分电荷密度显示Ba与Sn-Sb组成的网格[Sn<sub>3</sub>Sb<sub>4</sub>]<sup>6−</sup>之间成离子键, 网格内Sn-Sb之间为共价键, 两键共存说明Ba<sub>3</sub>Sn<sub>3</sub>Sb<sub>4</sub>是典型的Zintl相化合物. 能带结构的计算表明Ba<sub>3</sub>Sn<sub>3</sub>Sb<sub>4</sub>是带隙约为<sc>0.29 eV</sc>的间接带隙半导体, 导带区域的多能谷特征有利于材料的热电特性. 在电子结构的基础上, 本文采用Bolzmann理论计算了Ba<sub>3</sub>Sn<sub>3</sub>Sb<sub>4</sub>的热电特性. 由于纯相Ba<sub>3</sub>Sn<sub>3</sub>Sb<sub>4</sub>是n型半导体, p型掺杂的塞贝克系数在<sc><italic>T</italic>=500</sc>和<sc>700 K</sc>时随载流子浓度增加从负值变为正值, 而对应的<italic>ZT</italic>值从正值减小到零, 再从零变到最大值0.09. n型掺杂Ba<sub>3</sub>Sn<sub>3</sub>Sb<sub>4</sub>时, 由于热激发效应随温度增加而增强, 少子对塞贝克系数的贡献增大, 在<italic>T</italic><sc>>500 K</sc>时展现出双极化效应; 当载流子浓度为<sc>1.14×10<sup>20</sup> cm<sup>−3</sup>,</sc> 温度为<sc>700 K</sc>时, 最大<italic>ZT</italic>值为0.26, 几乎是p型掺杂时的3倍.
