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基于第一性原理计算方法的Sb2Si2Te6层状热电材料特性研究

      随着全球能源消耗持续增加，开发新技术以提高能效和减少化石燃料消耗势在必行。热电器件由于可以实现热能和电能的直接转换，被认为是余热利用的环保有效的方法[1]。然而，传统热电材料的低转换效率限制了热电器件的发展和大规模商业应用。在这种情况下，寻找具有更高热电转换效率的新材料或提高传统热电材料的性能是非常必要的。层状热电材料因其固有的低晶格热导率和良好的热电性能而受到广泛关注。最近，一种新型层状多晶材料Sb₂Si₂Te₆被报道显示出高功率因数和低热导率，引起了研究者们的兴趣[2]。考虑到层状材料通常是各向异性的，本研究采用第一性原理结合玻尔兹曼输运方程全面预测了p型和n型单晶Sb₂Si₂Te₆的热电输运特性。结果表明，单晶Sb₂Si₂Te₆的热电性能具有明显的各向异性。它沿层间方向具有极低的晶格热导率（在800K 时约为0.37 Wm-1K-1 ）。在对载流子浓度进行调控后，n型Sb₂Si₂Te₆的热电优值远高于p型；n型Sb₂Si₂Te₆在全温度范围内具有良好的热电性能(热电优值沿层间方向300K时为1.38，500K时为3.54，700K时为5.27；沿层内方向300K时为1.97，500K时为1.94，700K时为3.08)，且不同温度下的最佳掺杂浓度较为接近，显示出其在热电应用中的巨大潜力。