基于第一性原理N型InGaN电子结构和热电性质计算

赵紫轩

摘要：熱能能够通过热电材料的载流子作用转换成电能，过程中无任何污染，进而缓解能源问题的同时保护了环境。目前热电材料的研究是当代的一个热点，最核心的是解决热电材料的转换率，其实质就是提高热电材料的热电优值（ZT值）。第三代宽禁带半导体中的氮化物，具有较高的塞贝克系数，是很有潜力的热电材料，但是由于热导率较高导致了ZT值较低，这里对GaN进行了In元素的合金化，对其热电性质进行优化。计算主要采用了第一性原理和玻尔兹曼理论，对N型InGaN的电子结构和热电性质进行了计算，结果得到InGaN的ZT值在1100 K时达到了0.048，和已知GaN的ZT值相比性能提高了153%，合金化显著的提高了氮化物的热电转换效率。

关键词：InGaN；第一性原理；热电优值

1 绪论

现如今的能源问题越来越严重，环境问题也变成了首要的焦点，对于能源和环境的治理是全世界都密切重视的问题。热电材料可以利用载流子的作用将热能和电能之间进行转换，但是由于热电材料将热能转换成电能的效率不高，使得其没有能够普遍应用到实际中，目前寻找高转换效率的热电材料成为目前研究的重点。[1]本文通过对三族氮化物GaN进行In元素的合金化，对其合金进行热电性质的计算研究。

2 研究方法

本文采用平面波赝势的方法对InGaN的晶体结构进行优化计算，图1是计算采用的晶胞示意图。在模拟计算中，采用广义梯度近似PerdewBurkeErnzerhof （GGAPBE）形式的交换关联泛函，[2]体系的总能量小于5×106 eV/atom，每一个原子上的作用力小于0.01 eV/A。，计算中所采用的K网格密度为MonkhorstPack形式的5×5×3的网格。

热电性质的计算采用的K点为21×21×21的MonkhorstPack型的网格，然后采用基于玻尔兹曼理论的BoltzTraP软件进行热电性质的计算。[3]

3 输运性质

图2是N型InGaN塞贝克系数随载流子浓度的变化关系。如图2所示InGaN的塞贝克系数随载流子的增加逐渐增加，在1100 K时，出现了先减小后增加的趋势，主要是由于禁带宽度小所致。[4]

图3是N型InGaN的ZT值随载流子浓度的变化关系趋势。如图3所示，InGaN的ZT值呈现了先增加后减小的趋势，出现了最大值，在载流子浓度一定时，ZT值在温度增加时出现了增加的趋势。在温度为1100 K时，ZT值的最大值为0048。对比以前报道的N型GaN的ZT值0.019，[5]性能的提升了153%。

4 总结

本文采用第一性原理和玻尔兹曼理论对InGaN合金进行了电子结构和热电性质的计算，计算结果显示N型InGaN的ZT值为0.048相对报道的GaN的ZT值提升了153%，可以有效的说明，合金化对氮化物的热电性质的提升比较显著。

参考文献：

[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.