W掺杂对硒氧化铋热电性能影响的测定方法

w掺杂对硒氧化铋热电性能影响的测定方法
技术领域
1.本发明属于热电材料技术领域，尤其涉及一种w掺杂对bi2o2se热电性能影响的测定方法及系统。


背景技术：

2.目前，能源是人类文明进步的先决条件，它的开发利用是衡量一个社会形态、一个时代的重要标志，其对人们生活的作用不亚于人类对粮食、水、空气的依赖。从20世纪50年代以来，能源供给赶不上需求的矛盾日益突出，甚至还暴发了严重的“能源危机”。除此之外，传统的化石能源大量使用造成了大气污染、水污染以及土地污染等环境问题。因而，在能源危机以及环境污染的双重困局之下，世界各国对清洁能源和可再生能源的需求持续增长。热电材料是近年来能源转化领域的研究热点之一，它可以直接将热转化为电能，从而为减少二氧化碳和温室气体排放、提供更清洁的能源形式提供了有效的途径。
3.热电材料在不同的温度下具有不同的电子(或者空穴)激发特征，当其两端存在温差时，材料两端电子(或者空穴)激发数量的差异将形成电势差(电压)。热电优值zt＝s2σt/κ被用来衡量热电材料的能量转换效率，高性能热电材料应具有高塞贝克系数、高导电率、低热导率等特点。从zt的表达式中可以看出提高功率因子pf＝s2σ是提高材料热电优值的关键。在过去的几十年里，通过使用纳米结构、中尺度结构、和掺杂等方法，热电材料的热电值显著提高。然而，它们的能量转换效率仍然较低，进一步提高热电优值对于热电材料的应用至关重要。
4.近年来，新兴的bi2o2se材料受到越来越多的关注。bi2o2se具有优异的稳定性、高电子迁移率和优异的力学性能。此外，该晶体在场效应晶体管、光电探测器、三端记忆电阻等方面具有很大的应用潜力，而bi2o2se本身的热电优值在800k时仅为0.2，无法在实际生活中具体应用。因此，通过理论w掺杂对bi2o2se的热电性能的影响显得尤为重要，该方法不仅可以节省时间和成本，而且还为研究学者的相关研究提供了一定的理论参考。
5.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：传统化石能源的大量使用造成了能源枯竭以及各种环境问题，且现有热电材料的能量转换效率仍然较低。bi2o2se作为一种具有优异的稳定性、超高的电子迁移率的材料，其本身的热电优值在800k时仅为0.2，无法在实际生活中具体应用。因此，提高bi2o2se的热电性能成为我们的当务之急。


技术实现要素：

6.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种w掺杂对bi2o2se热电性能影响的测定方法及系统，尤其涉及一种基于第一性原理w掺杂对bi2o2se热电性能影响的测定方法、系统、介质、设备及终端。
7.本发明是这样实现的，一种w掺杂对bi2o2se热电性能影响的测定方法，所述w掺杂对bi2o2se热电性能影响的测定方法包括：
8.采用超算平台对bi2o2se进行几何结构优化，获得优化后的晶胞结构；利用建模软
件将bi原子用w原子替代，得到bi
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o2se的结构模型，再进行结构优化；采用boltztrap程序进行电子输运性质的计算，获得塞贝克系数和电导率/弛豫时间；根据w掺杂前后bi2o2se的功率因子的变化得出w掺杂对bi2o2se热电性能的影响情况。
9.进一步，所述w掺杂对bi2o2se热电性能影响的测定方法包括以下步骤：
10.步骤一，对理想环境下的材料进行几何结构优化，获得优化后的晶胞结构，本步骤主要为获得理想态的bi2o2se结构，为后续的计算提供理想态模型；
11.步骤二，基于步骤一中优化的理想态结构作为初始结构，进行w掺杂后再进行结构优化，本步骤主要为获得掺杂态的结构模型；
12.步骤三，基于步骤一和步骤二所得到的优化结构进行材料的电子自洽计算，从而获得材料的电子输运性质，本步骤可为功率因子的计算提供详尽的数据；
13.步骤四，基于步骤三得到的电子输运性质的结果，估算w掺杂前后bi2o2se的功率因子，根据图形的变化可以判断出w掺杂对bi2o2se热电性能的影响。
14.进一步，所述步骤一中的对理想环境下的材料进行几何结构优化，获得优化后的晶胞结构包括：
15.(1)在建模软件中，根据实验文献中bi2o2se的晶格常数和原子坐标，构建bi2o2se的初始单胞结构模型；
16.(2)进行k点和动能截断值的测试，确定计算过程中所需的k点和动能截断值；
17.(3)基于步骤(2)中确定的参数，对步骤(1)中的初始结构进行高精度结构优化，优化晶胞的体积及内部原子坐标，并采用广义梯度近似下的pbe泛函描述电子间的交换相关作用；
18.(4)基于步骤(3)中所得到的结构，按照2
×2×
1的方式进行扩胞，扩胞后的结构含有40个原子，并对扩胞后的结构进行高精度优化。
19.进一步，所述步骤二中，基于步骤一中优化的理想态结构作为初始结构，用一个w原子替代bi位置的原子，得到掺杂浓度为2.5％的bi
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o2se；再进行结构优化，获得优化后的结构模型。
20.进一步，所述步骤三中的结构优化完成后进行材料的电子自洽计算包括：
21.基于步骤一和步骤二优化后的结构，进行材料的电子自洽计算，所用的k点为8
×8×
8，用于获得材料的电子输运性质；基于boltztrap程序进行电子输运性质的计算，最终获得塞贝克系数和电导率/弛豫时间。
22.进一步，所述步骤四中的基于步骤三得到的电子输运性质的结果，估算w掺杂前后bi2o2se的功率因子的计算公式为：
23.pf/τ＝s2σ/τ；
24.其中，pf为功率因子，s为塞贝克系数，σ/τ为电导率/弛豫时间。
25.本发明的另一目的在于提供一种应用所述的w掺杂对bi2o2se热电性能影响的测定方法的w掺杂对bi2o2se热电性能影响的测定系统，所述w掺杂对bi2o2se热电性能影响的测定系统包括：
26.材料几何结构优化模块，用于对理想环境下的材料进行几何结构优化，获得优化后的晶胞结构；
27.优化模型构建模块，用于基于材料几何结构优化模块优化的理想态结构作为初始
结构，进行w掺杂后再进行结构优化，获得优化后的模型；
28.电子自洽计算模块，用于基于材料几何结构优化模块和优化模型构建模块得到的优化结构进行材料的电子自洽计算，从而获得材料的电子输运性质；
29.功率因子估算模块，用于基于电子自洽计算模块得到的电子输运性质的结果，估算w掺杂前后bi2o2se的功率因子。
30.本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述的w掺杂对bi2o2se热电性能影响的测定方法的步骤。
31.本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行所述的w掺杂对bi2o2se热电性能影响的测定方法的步骤。
32.本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述的w掺杂对bi2o2se热电性能影响的测定系统。
33.结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：
34.本发明的w掺杂对bi2o2se热电性能影响的测定方法不涉及具体的实验过程，但是最终的计算结果却可以为相关的实验提供理论指导。该计算过程基于第一性原理方法，相关的理论方法已经相当完备，因此该计算结果具有可靠性。本发明的计算过程较为简单，但是计算结果非常的可观，w掺杂导致bi2o2se的功率因子明显的提升，最终的计算结果为相关的热电研究提供了思路。
35.本发明基于第一性原理的计算，在vasp软件中对bi2o2se材料进行掺杂，得到掺杂浓度为2.5％的bi
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o2se结构，通过计算分析理想态和掺杂态的bi2o2se的功率因子的变化，就可以判断w掺杂对bi2o2se热电性能的影响；本发明方法成本较低，重复性好，绿色环保，操作简单准确，应用广泛且易于实现，适合推广应用。
36.本发明的技术方案解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：本发明借助第一性原理的计算方法，采用boltztrap程序对w掺杂前后bi2o2se的热电性能进行计算，根据得出的w掺杂前后的pf图，判断w掺杂对bi2o2se热电性能的影响。这套技术方案，避免了实验中较为耗费材料和时间的操作，仅仅通过模拟计算时的结构调整，利用boltztrap程序，就可以判断w对于bi2o2se的热电性能的影响。
37.本发明的准确性、可重复性，解决了长久以来人们一直渴望解决的快速准确提高材料的热电性能的技术难题，进而帮助人们找到更好的提高bi2o2se热电性能的方法。
附图说明
38.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
39.图1是本发明实施例提供的w掺杂对bi2o2se热电性能影响的测定方法流程图；
40.图2是本发明实施例提供的采用dft方法进行结构优化后的单胞bi2o2se(a)、超胞
bi2o2se，(b)和bi
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o2se(c)的几何结构图；
41.图3是本发明实施例提供的bi2o2se和bi
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o2se的塞贝克系数图；
42.图4是本发明实施例提供的bi2o2se和bi
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o2se的电导率/弛豫时间图；
43.图5是本发明实施例提供的bi2o2se和bi
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o2se的功率因子/弛豫时间图。
具体实施方式
44.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
45.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种w掺杂对bi2o2se热电性能影响的测定方法及系统，下面结合附图对本发明作详细的描述。
46.如图1所示，本发明实施例提供的w掺杂对bi2o2se热电性能影响的测定方法包括以下步骤：
47.s101，对理想环境下的材料进行几何结构优化，获得优化后的晶胞结构；
48.s102，基于s101中优化的理想态结构作为初始结构，进行w掺杂后再进行结构优化，获得优化后的模型；
49.s103，基于s101和s102所得到的结构进行材料的电子自洽计算，从而获得材料的电子输运性质；
50.s104，基于s103的电子输运性质的结果，估算w掺杂前后bi2o2se的功率因子。
51.本发明实施例提供的步骤s101中的对理想环境下的材料进行几何结构优化，获得优化后的晶胞结构，包括以下步骤：
52.步骤1.1，在建模软件中，根据实验文献中bi2o2se的晶格常数和原子坐标，构建bi2o2se的初始单胞结构模型；
53.步骤1.2，进行k点和动能截断值的测试，确定计算过程中所需的k点和动能截断值；
54.步骤1.3，基于步骤1.2中确定的参数，对步骤1.1中的初始结构进行高精度结构优化，优化晶胞的体积及内部原子坐标。为了获得准确的晶格常数，采用广义梯度近似下的pbe泛函来描述电子间的交换相关作用；
55.步骤1.4，基于步骤1.3中所得到的结构，对其按照2
×2×
1的方式进行扩胞，扩胞后的结构含有40个原子。对扩胞后的结构进行高精度优化。
56.本发明实施例提供的步骤s102中，基于步骤s101中优化的理想态结构作为初始结构，用一个w原子替代bi位置的原子，得到掺杂浓度为2.5％的bi
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o2se，再进行结构优化，获得优化后的结构模型。
57.本发明实施例提供的步骤s103中的结构优化计算完成后进行材料的电子自洽计算，包括以下步骤：基于步骤s101和步骤s102优化后的结构，接着进行材料的电子自洽计算，所用的k点为8
×8×
8，这一步主要是为了获得材料的电子输运性质；基于boltztrap程序进行电子输运性质的计算，最终获得塞贝克系数和电导率/弛豫时间。
58.本发明实施例提供的步骤s104中的基于电子输运性质的结果，估算w掺杂前后bi2o2se的功率因子，包括以下步骤：
59.基于步骤s103得到的电子输运性质的结果，估算w掺杂前后bi2o2se的功率因子，计算公式为pf/τ＝s2σ/τ，其中pf为功率因子，s为塞贝克系数，σ/τ为电导率/弛豫时间。
60.本发明实施例提供的w掺杂对bi2o2se热电性能影响的测定系统包括：
61.材料几何结构优化模块，用于对理想环境下的材料进行几何结构优化，获得优化后的晶胞结构；
62.优化模型构建模块，用于基于材料几何结构优化模块优化的理想态结构作为初始结构，进行w掺杂后再进行结构优化，获得优化后的模型；
63.电子自洽计算模块，用于基于材料几何结构优化模块和优化模型构建模块得到的优化结构进行材料的电子自洽计算，从而获得材料的电子输运性质；
64.功率因子估算模块，用于基于电子自洽计算模块得到的电子输运性质的结果，估算w掺杂前后bi2o2se的功率因子。
65.本发明实施例提供的技术方案在不同的材料体系中得到了应用，除上述提到的w掺杂的bi2o2se体系以外，所应用的体系材料还有pb掺杂的bicuseo，cl掺杂的bi2o2se，以及sb掺杂的gete等。
66.以cl掺杂的bi2o2se体系为例，按照如图1所示的w掺杂对bi2o2se热电性能影响的测定流程图，首先对理想环境下的材料进行几何结构优化，获得优化后的晶胞结构；之后按照步骤s102，采用理想态结构作为初始结构，进行cl掺杂后再进行结构优化，获得优化后的模型；根据步骤s103，对基于s101和s102所得到的结构进行电子自洽计算，接着采用基于boltztrap的程序进行电子输运性质的计算，最终获得塞贝克系数和电导率/弛豫时间。根据cl掺杂前后bi2o2se的塞贝克系数和电导率的变化趋势，最终得出功率因子的结果。cl掺杂导致bi2o2se的功率因子明显增强，这说明bi2o2se在cl掺杂的情况下，其热电性能被明显改善。
67.作为优选实施例，本发明实施例提供的基于第一性原理w掺杂对bi2o2se热电性能影响的测定方法，具体包括以下步骤：
68.步骤1，对理想环境下的材料进行几何结构优化，获得优化后的晶胞结构，包括以下步骤：
69.步骤1.1，在建模软件中，根据实验文献中bi2o2se的晶格常数和原子坐标，构建bi2o2se的初始单胞结构模型。bi2o2se属于典型的四方晶系，空间群为i4/mmm(139)，单胞内包含10个原子，共价键合的[bi2o2]
n2n
层被弱键合的[se]
n2n-层夹在一起。
[0070]
步骤1.2，进行k点和动能截断值的测试，确定计算过程中所需的k点和动能截断值，最终确定的k点为6
×6×
6，动能截断值为450ev。
[0071]
步骤1.3，基于步骤1.2中确定的参数，对步骤1.1中的初始结构进行高精度结构优化。优化晶胞的体积及内部原子坐标。优化后的图形如图2(a)所示，为了使晶格常数计算准确，采用广义梯度近似下的pbe泛函来描述电子间的交换相关作用。优化后的晶格常数和体积分别为：a＝b＝3.92，c＝12.36，积分别为：a＝b＝3.92，c＝12.36，(见表1)，该结果与实验数据：a＝b＝3.88，c＝12.16，吻合较好。
[0072]
表1 bi2o2se的结构参数和体积
[0073][0074]
步骤1.4，基于步骤1.3中所得到的结构，对其按照2
×2×
1的方式进行扩胞，扩胞后的结构含有40个原子。对扩胞后的结构进行高精度优化，优化后的结构如图2(b)所示。
[0075]
步骤2，基于步骤1中扩胞后优化的结构作为初始结构，用一个w原子替代bi位置的原子，得到掺杂浓度为2.5％的bi
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o2se的结构模型，再进行结构优化。优化后的结构如图2(c)所示。
[0076]
步骤3，基于步骤1和步骤2优化后的结构，采用boltztrap程序进行电子输运性质的计算，最终获得塞贝克系数和电导率/弛豫时间。
[0077]
图3给出了bi2o2se和bi
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o2se的塞贝克系数s随温度在300～800k内变化的趋势。从图3可以发现，计算得到的bi2o2se和bi
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o2se的塞贝克系数s均为负值，表明电子是掺杂后的主要载流子，这与实验结果一致。此外，由于自由电子浓度的增加，w掺杂导致bi2o2se的塞贝克系数s的绝对值降低。图4给出了bi2o2se和bi
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o2se的电导率随温度在300～800k内变化的趋势。从图4中可以看出，w掺杂使得bi2o2se的电导率增大。根据w掺杂前后bi2o2se的塞贝克系数和电导率的变化趋势，最终得出功率因子的结果，如图5所示。从图5可以发现，w掺杂导致bi2o2se的功率因子明显增强，这说明bi2o2se在w掺杂的情况下，其热电性能被明显改善。
[0078]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。