基于第一性原理的AlGaN合金热电性质研究

王保柱，孟帆帆，孟立智，王 敏

(河北科技大学信息科学与工程学院，石家庄 050018)

1 引 言

环境和能源问题日益严重，解决环境污染和能源短缺成为焦点，热电材料可以将热能转换成电能，可以缓解能源问题，转换过程不会产生污染[1]，进而可以解决环境问题，由于其转换效率低和应用领域窄等问题，没得到广泛应用，探究新型热电材料成为研究的焦点。

目前热电材料的应用主要集中在Bi2Te3, PbTe等由重金属组成的化合物半导体和合金材料上，但这些材料含有有毒元素Bi， Pb, Sb等，容易对环境造成污染，只应用低温区域，从而限制了这类材料的热电应用[2]。高温区域可以使用SiGe，ZnO等热电材料，这些材料可用于800 K温度下，但ZT值达到这个温度前就达到了最大值，主要由于高温下载流子跨越带隙，导致塞贝克系数降低，因此在高温区域热电材料需要有宽带隙防止载流子激发[2]。

氮化物材料具有禁带宽度大、热稳定性好、电导率以及塞贝克系数高的优点，因此在热电材料领域具有巨大的应用潜力。基于合金化[3-4]，掺杂[5]等方法可以改变材料的输运性质，为了提高材料的热电优值，论文采用合金化方法对GaN合金化，进而对其热电性质进行优化。在2009年，Hua等[6]研究了AlInN的热电性质，其结果表明AlInN热电性能的提高可能是由于热导率的降低。2012年Wu等[7]计算了P型和N型的GaN的热电性质，发现P型GaN的热电优值高于N型，P型GaN更适合热电材料的研究。2013年Alexander Sztein等[8]运用公式近似计算了InxGa1-xN，InxAl1-xN，AlxGa1-xN的热电性质，结果显示AlGaN在1200 K时ZT为0.57。2015年Wang等[9]采用金属有机物化学气相沉积技术生长了不同掺杂浓度的GaN薄膜，得出了GaN薄膜的载流子浓度为1.60×1018cm-3时, 室温ZT 达到极大值0.0025。……