基于第一性原理探究寬禁帶半導(dǎo)體電子結(jié)構(gòu)與熱電性質(zhì)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)一、引言1.1研究背景與意義在過去的幾個世紀(jì)里，化石能源如煤炭、石油和天然氣，一直是全球能源供應(yīng)的主要支柱，為人類社會的快速發(fā)展和進步提供了強大動力。它們廣泛應(yīng)用于電力生產(chǎn)、交通運輸、工業(yè)制造等各個領(lǐng)域，成為現(xiàn)代文明不可或缺的能源基礎(chǔ)。然而，隨著全球經(jīng)濟的飛速發(fā)展以及人口的持續(xù)增長，人類對能源的需求呈爆發(fā)式增長態(tài)勢。國際能源署（IEA）的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，過去幾十年間，全球能源消耗總量以每年[X]%的速度遞增。在這種強勁的需求推動下，化石能源的儲量正以驚人的速度不斷減少，能源危機的陰影愈發(fā)濃重。有研究預(yù)測，按照當(dāng)前的開采和消費速度，石油資源可能在短短[X]年內(nèi)面臨枯竭，煤炭資源也僅能維持[X]年左右，天然氣的可開采年限同樣不容樂觀。與此同時，化石能源在燃燒過程中會釋放出大量的污染物，如二氧化硫（SO?）、氮氧化物（NO?）和顆粒物（PM）等，這些污染物是導(dǎo)致酸雨、霧霾等環(huán)境問題的罪魁禍?zhǔn)?。?jù)世界衛(wèi)生組織（WHO）報告，全球每年因空氣污染導(dǎo)致的死亡人數(shù)高達數(shù)百萬人，其中化石能源燃燒產(chǎn)生的污染物是主要誘因之一。此外，化石能源燃燒排放的大量二氧化碳（CO?）等溫室氣體，正在加劇全球氣候變暖。政府間氣候變化專門委員會（IPCC）的評估報告指出，過去一個世紀(jì)以來，地球表面平均溫度已經(jīng)上升了約[X]℃，導(dǎo)致冰川融化、海平面上升、極端氣候事件頻發(fā)等一系列嚴(yán)重后果。如果不采取有效措施減少溫室氣體排放，預(yù)計到本世紀(jì)末，地球表面平均溫度將上升[X]-[X]℃，這將給人類社會帶來災(zāi)難性的影響。為了應(yīng)對化石能源危機和環(huán)境污染的雙重挑戰(zhàn)，開發(fā)清潔、可持續(xù)的新能源已成為全球共識和當(dāng)務(wù)之急。太陽能、風(fēng)能、水能、生物質(zhì)能、地?zé)崮艿刃履茉?，具有清潔、可再生、環(huán)境友好等顯著優(yōu)勢，被視為未來能源發(fā)展的主要方向。近年來，各國政府紛紛制定相關(guān)政策和規(guī)劃，大力推動新能源的開發(fā)和利用。然而，新能源的開發(fā)和利用也面臨著諸多技術(shù)難題，其中熱電轉(zhuǎn)換效率低下是制約新能源發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸之一。例如，目前太陽能光伏發(fā)電的轉(zhuǎn)換效率普遍在[X]%-[X]%之間，風(fēng)能發(fā)電的效率也受到多種因素的限制，難以滿足大規(guī)模能源需求的高效轉(zhuǎn)換要求。在這樣的背景下，寬禁帶半導(dǎo)體材料因其獨特的物理性質(zhì)，在提高熱電轉(zhuǎn)換效率方面展現(xiàn)出巨大的潛力，成為了新能源領(lǐng)域的研究熱點。寬禁帶半導(dǎo)體是指禁帶寬度大于[X]eV的半導(dǎo)體材料，如碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氧化鋅（ZnO）等。與傳統(tǒng)的硅基半導(dǎo)體相比，寬禁帶半導(dǎo)體具有高擊穿電場、高電子飽和漂移速度、高熱導(dǎo)率等優(yōu)異特性。這些特性使得寬禁帶半導(dǎo)體在高溫、高頻、高功率等應(yīng)用領(lǐng)域具有明顯優(yōu)勢，能夠大幅提高電子器件的性能和效率。例如，在電力電子領(lǐng)域，基于寬禁帶半導(dǎo)體的功率器件可以實現(xiàn)更高的開關(guān)頻率和更低的導(dǎo)通電阻，從而顯著降低能量損耗，提高電能轉(zhuǎn)換效率；在新能源汽車中，采用寬禁帶半導(dǎo)體功率模塊能夠提升車載充電器和DC/DC轉(zhuǎn)換器的效率，增加續(xù)航里程并縮短充電時間。此外，寬禁帶半導(dǎo)體的熱電性質(zhì)研究對于開發(fā)新型熱電材料和器件具有重要意義。熱電材料能夠?qū)崿F(xiàn)熱能和電能的直接相互轉(zhuǎn)換，在廢熱回收、制冷制熱、深空探測等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。通過研究寬禁帶半導(dǎo)體的熱電性質(zhì)，如塞貝克系數(shù)、電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率等，可以深入了解其熱電轉(zhuǎn)換機制，為設(shè)計和優(yōu)化高性能熱電材料提供理論依據(jù)。例如，通過調(diào)控寬禁帶半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)、摻雜濃度等因素，可以有效提高其熱電性能，從而開發(fā)出更高效的熱電轉(zhuǎn)換器件，實現(xiàn)廢熱的有效回收利用，進一步提高能源利用效率，減少能源浪費。本研究通過第一性原理計算方法，深入研究幾種寬禁帶半導(dǎo)體的電子結(jié)構(gòu)以及熱電性質(zhì)，旨在揭示寬禁帶半導(dǎo)體的熱電性能與電子結(jié)構(gòu)之間的內(nèi)在聯(lián)系，為開發(fā)高性能的熱電材料和器件提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。這不僅有助于提高新能源的開發(fā)和利用效率，推動能源領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新，還對于緩解全球能源危機、減少環(huán)境污染、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。1.2寬禁帶半導(dǎo)體概述寬禁帶半導(dǎo)體，通常是指禁帶寬度大于2.3eV的半導(dǎo)體材料，與傳統(tǒng)的硅（Si，禁帶寬度約1.1eV）、鍺（Ge，禁帶寬度約0.66eV）等窄禁帶半導(dǎo)體相比，寬禁帶半導(dǎo)體展現(xiàn)出一系列卓越的特性，這些特性源于其獨特的晶體結(jié)構(gòu)和電子能帶結(jié)構(gòu)。從晶體結(jié)構(gòu)來看，寬禁帶半導(dǎo)體往往具有更穩(wěn)定、更緊密的原子排列方式。以碳化硅（SiC）為例，它具有多種晶型，如4H-SiC、6H-SiC等，這些晶型中的Si和C原子通過共價鍵相互連接，形成了高度穩(wěn)定的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這種緊密的結(jié)構(gòu)使得電子在其中的運動受到一定的限制，從而導(dǎo)致了寬禁帶的產(chǎn)生。而氮化鎵（GaN）則具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)，Ga和N原子之間的強共價鍵同樣賦予了材料較高的穩(wěn)定性和寬禁帶特性。在電子能帶結(jié)構(gòu)方面，寬禁帶半導(dǎo)體的導(dǎo)帶底和價帶頂之間的能量差較大，即禁帶寬度較寬。這意味著電子需要獲得更高的能量才能從價帶躍遷到導(dǎo)帶，從而參與導(dǎo)電過程。這種特性使得寬禁帶半導(dǎo)體在高溫、高電場等極端條件下，依然能夠保持較低的本征載流子濃度，從而具備良好的電學(xué)性能穩(wěn)定性?；谏鲜鼋Y(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，寬禁帶半導(dǎo)體表現(xiàn)出諸多優(yōu)異特性。首先是高擊穿電場，其能夠承受更高的電場強度而不發(fā)生擊穿，以碳化硅為例，其擊穿電場強度可達3.5MV/cm，相比之下，硅的擊穿電場強度僅為0.3MV/cm左右。這一特性使得寬禁帶半導(dǎo)體在高功率電力電子器件中具有巨大優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的功率密度和更低的能量損耗。其次是高電子飽和漂移速度，例如氮化鎵的電子飽和漂移速度可達2.5×10?cm/s，這使得電子在材料中能夠快速移動，適用于高頻電子器件，可實現(xiàn)更高的工作頻率和更快的信號處理速度。再者是高熱導(dǎo)率，如碳化硅的熱導(dǎo)率可達4.9W/cm?K，能夠有效地傳導(dǎo)熱量，在高溫環(huán)境下保持良好的熱穩(wěn)定性，有利于提高器件的可靠性和使用壽命。此外，寬禁帶半導(dǎo)體還具有化學(xué)穩(wěn)定性高、光發(fā)射效率高等特點，使其在惡劣環(huán)境和光電子領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。常見的寬禁帶半導(dǎo)體材料有碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氧化鋅（ZnO）、金剛石（C）、氮化鋁（AlN）等。碳化硅具有寬禁帶（約3.23eV）、高電子遷移率（約1000cm2/V?s）和高熱導(dǎo)率（約4.9W/cm?K）等特性，在高溫、高頻和高功率電子器件中應(yīng)用廣泛，如制造高效率的電力電子器件，像肖特基二極管、MOSFET和IGBT等，還用于制造高溫傳感器和高壓光電子器件。氮化鎵的禁帶寬度為3.4eV，電子遷移率約為1400cm2/V?s，熱導(dǎo)率約為1.3W/cm?K，在光電子學(xué)和高頻電子學(xué)領(lǐng)域表現(xiàn)出色，被用于制造高亮度發(fā)光二極管（LEDs）、激光器和高效率的電力電子器件，如HEMTs和HBTs，以及高頻射頻器件和傳感器。氧化鋅是一種直接寬帶隙材料，可用于氣體傳感器、透明電極、液晶顯示器、太陽能電池、壓電換能器、光電子材料器件、藍光和紫外光發(fā)光二極管及激光二極管等。在實際應(yīng)用領(lǐng)域，寬禁帶半導(dǎo)體發(fā)揮著關(guān)鍵作用。在光電子器件方面，氮化鎵基材料由于其寬禁帶特性，能夠發(fā)射高能量的光子，被廣泛應(yīng)用于高亮度發(fā)光二極管（LED）和激光二極管（LD）的制造。這些光電器件在照明、顯示、光通信等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，如LED照明具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長等優(yōu)點，正逐漸取代傳統(tǒng)的白熾燈和熒光燈；在光通信中，氮化鎵基激光二極管可實現(xiàn)高速率、長距離的光信號傳輸。在高頻電子器件領(lǐng)域，寬禁帶半導(dǎo)體憑借其高電子飽和漂移速度和高擊穿電場等特性，成為制造高頻射頻器件的理想材料。例如，在5G通信基站中，基于氮化鎵的功率放大器能夠?qū)崿F(xiàn)更高的功率輸出和效率，提升通信信號的覆蓋范圍和質(zhì)量；在衛(wèi)星通信和雷達系統(tǒng)中，寬禁帶半導(dǎo)體器件也能夠提高系統(tǒng)的性能和可靠性。在電力電子器件方面，碳化硅和氮化鎵等寬禁帶半導(dǎo)體材料制成的功率器件，如MOSFET、IGBT等，具有低導(dǎo)通電阻、高開關(guān)速度和高功率密度等優(yōu)勢，可應(yīng)用于新能源汽車、智能電網(wǎng)、光伏逆變器等領(lǐng)域，有效提高電能轉(zhuǎn)換效率，降低能源損耗。在新能源汽車中，碳化硅功率模塊可用于車載充電器和DC/DC轉(zhuǎn)換器，能夠提升充電速度和續(xù)航里程；在智能電網(wǎng)中，寬禁帶半導(dǎo)體器件可用于高壓直流輸電和柔性交流輸電系統(tǒng)，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性和輸電效率。1.3第一性原理簡介第一性原理，又稱從頭算方法，源于量子力學(xué)和量子化學(xué)領(lǐng)域，其核心思想是基于量子力學(xué)的基本原理，從最基本的物理定律出發(fā)，不借助任何經(jīng)驗參數(shù)或?qū)嶒灁?shù)據(jù)擬合，直接對體系的電子結(jié)構(gòu)和相關(guān)性質(zhì)進行理論計算和分析。其基本原理的根基在于量子力學(xué)的基本方程——薛定諤方程。對于一個包含N個電子和M個原子核的多粒子體系，其哈密頓算符\hat{H}可表示為：\hat{H}=-\frac{\hbar^2}{2m_e}\sum_{i=1}^{N}\nabla_{i}^{2}-\frac{\hbar^2}{2}\sum_{A=1}^{M}\frac{1}{M_A}\nabla_{A}^{2}-\sum_{i=1}^{N}\sum_{A=1}^{M}\frac{Ze^2}{r_{iA}}+\sum_{i\ltj}^{N}\frac{e^2}{r_{ij}}+\sum_{A\ltB}^{M}\frac{Z_AZ_Be^2}{R_{AB}}其中，第一項表示電子的動能，第二項表示原子核的動能，第三項是電子與原子核之間的庫侖吸引能，第四項是電子之間的庫侖排斥能，第五項是原子核之間的庫侖排斥能。薛定諤方程\hat{H}\Psi=E\Psi的求解，旨在得到體系的波函數(shù)\Psi和能量E，波函數(shù)包含了體系中電子的所有信息，通過對波函數(shù)的分析，可以進一步計算出體系的各種物理性質(zhì)，如電子密度、電荷分布、能級結(jié)構(gòu)等。然而，由于多體相互作用的復(fù)雜性，精確求解多電子體系的薛定諤方程是極其困難的，甚至在目前的計算能力下幾乎是不可能實現(xiàn)的。為了使計算可行，通常會引入一些近似方法。其中，平面波贗勢方法（PWPM）是一種常用的近似方法。在該方法中，將原子核與內(nèi)層電子視為一個相對穩(wěn)定的離子實，用一個贗勢來代替離子實與價電子之間的相互作用。這樣可以有效地降低計算的復(fù)雜性，同時保證計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。平面波基組的使用也是該方法的一個重要特點，平面波具有簡單、完備的性質(zhì)，能夠很好地描述電子在晶體中的運動狀態(tài)。通過將波函數(shù)用平面波展開，可以將薛定諤方程轉(zhuǎn)化為矩陣方程進行求解，從而大大提高了計算效率。局域密度近似（LDA）和廣義梯度近似（GGA）是在處理電子間交換關(guān)聯(lián)能時常用的近似方法。LDA假設(shè)體系中某點的交換關(guān)聯(lián)能只與該點的電子密度有關(guān)，通過對均勻電子氣模型的研究來近似計算交換關(guān)聯(lián)能。雖然LDA在許多情況下能夠給出較為合理的結(jié)果，但它忽略了電子密度的梯度變化對交換關(guān)聯(lián)能的影響。GGA則在LDA的基礎(chǔ)上進行了改進，考慮了電子密度的梯度信息，能夠更準(zhǔn)確地描述電子間的交換關(guān)聯(lián)作用，特別是對于一些具有非均勻電子密度分布的體系，GGA往往能夠給出比LDA更精確的計算結(jié)果。在材料研究領(lǐng)域，第一性原理計算發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。它可以從原子層面深入探究材料的電子結(jié)構(gòu)，揭示材料中電子的分布、能級的排列以及電子與原子核之間的相互作用等微觀信息。通過這些信息，能夠準(zhǔn)確預(yù)測材料的各種物理性質(zhì)，如電學(xué)性質(zhì)中的電導(dǎo)率、載流子遷移率等，熱學(xué)性質(zhì)中的熱導(dǎo)率、比熱容等，力學(xué)性質(zhì)中的彈性模量、硬度等，以及光學(xué)性質(zhì)中的吸收光譜、發(fā)射光譜等。例如，在研究半導(dǎo)體材料時，第一性原理計算可以精確確定其禁帶寬度，了解電子在導(dǎo)帶和價帶之間的躍遷特性，從而為半導(dǎo)體器件的設(shè)計和優(yōu)化提供堅實的理論依據(jù)。在設(shè)計新型超導(dǎo)材料時，可以通過第一性原理計算探索材料的晶體結(jié)構(gòu)與電子態(tài)之間的關(guān)系，預(yù)測可能具有超導(dǎo)特性的材料體系，并深入研究超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度與電子-聲子相互作用等因素之間的內(nèi)在聯(lián)系，為實驗合成提供有價值的指導(dǎo)方向。在研究寬禁帶半導(dǎo)體時，第一性原理計算為深入理解其電子結(jié)構(gòu)和熱電性質(zhì)提供了強有力的理論工具。通過第一性原理計算，可以詳細分析寬禁帶半導(dǎo)體中原子的排列方式、電子的波函數(shù)分布以及能級的分裂情況，從而明確禁帶寬度的大小及其形成機制。例如，對于碳化硅（SiC），通過第一性原理計算可以準(zhǔn)確得到不同晶型（如4H-SiC、6H-SiC等）的電子結(jié)構(gòu)，揭示晶型結(jié)構(gòu)對禁帶寬度和電子遷移率的影響規(guī)律。在研究熱電性質(zhì)方面，第一性原理計算可以計算出材料的塞貝克系數(shù)、電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率等關(guān)鍵參數(shù)。通過對這些參數(shù)的分析，可以深入了解熱電轉(zhuǎn)換過程中電子和聲子的輸運行為，探索提高熱電性能的有效途徑。例如，通過研究發(fā)現(xiàn)，在氮化鎵（GaN）中引入特定的雜質(zhì)或缺陷，可以調(diào)控電子結(jié)構(gòu)，優(yōu)化載流子濃度和遷移率，從而提高其熱電性能。1.4研究內(nèi)容與目標(biāo)本研究聚焦于碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氧化鋅（ZnO）等典型寬禁帶半導(dǎo)體材料，運用第一性原理計算方法，深入探究其電子結(jié)構(gòu)以及熱電性質(zhì)，具體研究內(nèi)容如下：寬禁帶半導(dǎo)體電子結(jié)構(gòu)計算：采用基于密度泛函理論的第一性原理計算方法，利用諸如VASP、CASTEP等計算軟件，對SiC、GaN、ZnO等寬禁帶半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。通過精確調(diào)整原子坐標(biāo)和晶格參數(shù)，使體系能量達到最低狀態(tài)，從而獲得穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，計算這些材料的電子結(jié)構(gòu)，包括能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度、電荷密度分布等。通過分析能帶結(jié)構(gòu)，確定禁帶寬度的大小，明確導(dǎo)帶底和價帶頂?shù)奈恢靡约半娮釉谀軒е械姆植记闆r；態(tài)密度的計算可以了解不同能量狀態(tài)下電子的分布密度，揭示電子態(tài)與能量之間的關(guān)系；電荷密度分布的研究則有助于直觀地展現(xiàn)電子在原子間的分布情況，深入理解原子間的成鍵特性和電子相互作用。寬禁帶半導(dǎo)體熱電性質(zhì)計算：基于計算得到的電子結(jié)構(gòu)，運用玻爾茲曼輸運理論和相關(guān)的計算模型，計算寬禁帶半導(dǎo)體的熱電性質(zhì)，如塞貝克系數(shù)、電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率等。塞貝克系數(shù)反映了材料在溫度梯度下產(chǎn)生電勢差的能力，通過分析塞貝克系數(shù)與溫度、載流子濃度等因素的關(guān)系，揭示熱電轉(zhuǎn)換過程中電子的輸運特性；電導(dǎo)率的計算可以評估材料傳導(dǎo)電流的能力，研究其與電子遷移率和載流子濃度之間的內(nèi)在聯(lián)系；熱導(dǎo)率則用于衡量材料傳導(dǎo)熱量的能力，通過分析聲子對熱導(dǎo)率的貢獻，探索降低熱導(dǎo)率、提高熱電性能的有效途徑。此外，還將研究熱電優(yōu)值ZT的變化規(guī)律，熱電優(yōu)值是衡量熱電材料性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)，通過優(yōu)化材料的電子結(jié)構(gòu)和熱電性質(zhì)，提高ZT值，為開發(fā)高性能熱電材料提供理論依據(jù)。不同結(jié)構(gòu)和條件對性質(zhì)的影響：研究不同晶體結(jié)構(gòu)（如SiC的4H、6H等晶型）和外界條件（如溫度、壓力、摻雜等）對寬禁帶半導(dǎo)體電子結(jié)構(gòu)和熱電性質(zhì)的影響。對于不同晶體結(jié)構(gòu)，分析其原子排列方式的差異如何導(dǎo)致電子結(jié)構(gòu)和熱電性質(zhì)的變化，揭示晶體結(jié)構(gòu)與材料性能之間的內(nèi)在聯(lián)系；在溫度和壓力變化的情況下，探討電子結(jié)構(gòu)和熱電性質(zhì)的響應(yīng)機制，研究溫度和壓力對禁帶寬度、載流子遷移率等關(guān)鍵參數(shù)的影響規(guī)律；對于摻雜體系，通過引入不同種類和濃度的雜質(zhì)原子，研究摻雜對電子結(jié)構(gòu)的調(diào)控作用，分析摻雜如何改變載流子濃度和遷移率，進而影響熱電性質(zhì)，探索通過摻雜優(yōu)化熱電性能的有效方法。結(jié)果分析與對比：對計算結(jié)果進行深入分析和對比，總結(jié)寬禁帶半導(dǎo)體電子結(jié)構(gòu)與熱電性質(zhì)之間的內(nèi)在聯(lián)系和規(guī)律。通過對比不同材料的電子結(jié)構(gòu)和熱電性質(zhì)，找出影響熱電性能的關(guān)鍵因素，為材料的選擇和優(yōu)化提供依據(jù)；分析不同結(jié)構(gòu)和條件下材料性質(zhì)的變化趨勢，揭示材料性能隨結(jié)構(gòu)和條件變化的規(guī)律，為材料的設(shè)計和應(yīng)用提供指導(dǎo)。此外，還將與已有的實驗數(shù)據(jù)和理論研究結(jié)果進行對比驗證，確保計算結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，進一步完善對寬禁帶半導(dǎo)體電子結(jié)構(gòu)和熱電性質(zhì)的認(rèn)識。本研究旨在通過第一性原理計算，深入了解寬禁帶半導(dǎo)體的電子結(jié)構(gòu)和熱電性質(zhì)，揭示其內(nèi)在物理機制，為高性能熱電材料的設(shè)計和開發(fā)提供堅實的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持，推動寬禁帶半導(dǎo)體在新能源領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，提高能源利用效率，緩解能源危機和環(huán)境污染問題。二、第一性原理計算方法2.1理論基礎(chǔ)第一性原理計算方法，作為現(xiàn)代材料科學(xué)和量子力學(xué)領(lǐng)域的重要研究工具，其理論根基深植于量子力學(xué)的基本原理。量子力學(xué)，誕生于20世紀(jì)初，旨在描述微觀世界中粒子的行為和相互作用，與描述宏觀世界的經(jīng)典力學(xué)形成鮮明對比。在經(jīng)典力學(xué)中，物體的運動狀態(tài)可以通過確定的位置和動量來精確描述，遵循牛頓運動定律等確定性規(guī)律。然而，當(dāng)研究對象縮小到原子和分子尺度時，經(jīng)典力學(xué)的局限性便凸顯出來，微觀粒子表現(xiàn)出許多與經(jīng)典物理相悖的特性，如波粒二象性、不確定性原理等。在量子力學(xué)的理論體系中，薛定諤方程占據(jù)著核心地位，它是描述微觀粒子運動狀態(tài)的基本方程，其一般形式為：i\hbar\frac{\partial\Psi(\vec{r},t)}{\partialt}=-\frac{\hbar^2}{2m}\nabla^2\Psi(\vec{r},t)+V(\vec{r},t)\Psi(\vec{r},t)其中，i為虛數(shù)單位，\hbar是約化普朗克常數(shù)，\Psi(\vec{r},t)是波函數(shù)，它是描述微觀粒子狀態(tài)的關(guān)鍵函數(shù)，包含了粒子在空間和時間中的所有信息；\vec{r}表示空間坐標(biāo)，t為時間；m是粒子的質(zhì)量，V(\vec{r},t)是粒子所處的勢能函數(shù)。這個方程本質(zhì)上是一個偏微分方程，它描述了波函數(shù)隨時間和空間的演化規(guī)律。從物理意義上講，波函數(shù)的模平方|\Psi(\vec{r},t)|^2表示在t時刻，粒子出現(xiàn)在空間位置\vec{r}處的概率密度。這意味著微觀粒子的位置不像經(jīng)典粒子那樣具有確定性，而是以一定的概率分布在空間中，這種概率性的描述是量子力學(xué)區(qū)別于經(jīng)典力學(xué)的重要特征之一。對于多電子體系，如原子、分子或固體材料中的電子系統(tǒng)，其薛定諤方程的形式更為復(fù)雜，需要考慮多個電子之間的相互作用。以包含N個電子的體系為例，其哈密頓算符\hat{H}可以表示為：\hat{H}=-\frac{\hbar^2}{2m}\sum_{i=1}^{N}\nabla_{i}^{2}-\sum_{i=1}^{N}\sum_{A=1}^{M}\frac{Ze^2}{r_{iA}}+\sum_{i\ltj}^{N}\frac{e^2}{r_{ij}}+\sum_{A\ltB}^{M}\frac{Z_AZ_Be^2}{R_{AB}}其中，第一項表示電子的動能，第二項是電子與原子核之間的庫侖吸引能，其中Z為原子核的電荷數(shù)，e為電子電荷，r_{iA}是第i個電子與第A個原子核之間的距離；第三項是電子之間的庫侖排斥能，r_{ij}是第i個電子與第j個電子之間的距離；第四項是原子核之間的庫侖排斥能，Z_A和Z_B分別是第A個和第B個原子核的電荷數(shù)，R_{AB}是這兩個原子核之間的距離。求解這樣的多電子體系薛定諤方程，能夠得到體系的能量本征值和對應(yīng)的波函數(shù)，從而深入了解體系的電子結(jié)構(gòu)和各種物理性質(zhì)。然而，由于多電子體系中電子之間的相互作用極其復(fù)雜，精確求解多電子體系的薛定諤方程在實際計算中面臨巨大挑戰(zhàn)。隨著電子數(shù)量的增加，方程的復(fù)雜度呈指數(shù)級增長，計算量變得極為龐大，即使是現(xiàn)代超級計算機也難以承受。為了克服這一困難，人們發(fā)展了多種近似方法，使得多電子體系的計算成為可能。密度泛函理論（DFT）便是其中一種廣泛應(yīng)用且極為成功的近似理論。DFT的核心思想是將多電子體系的基態(tài)能量表示為電子密度的泛函，即體系的能量只取決于電子密度的分布，而不是每個電子的具體波函數(shù)。這一理論的重要突破在于大大減少了計算的變量數(shù)，從描述每個電子的波函數(shù)（變量數(shù)與電子數(shù)成正比）轉(zhuǎn)變?yōu)槊枋鲭娮用芏龋▋H為空間坐標(biāo)的函數(shù)，變量數(shù)為3個），從而顯著降低了計算的復(fù)雜度。在DFT中，體系的總能量可以表示為：E[\rho]=T[\rho]+E_{ion-ion}+E_{Hartree}[\rho]+E_{xc}[\rho]其中，T[\rho]是電子的動能泛函，E_{ion-ion}是離子實之間的相互作用能，E_{Hartree}[\rho]是Hartree能，描述電子-電子之間的庫侖相互作用，E_{xc}[\rho]是交換關(guān)聯(lián)能泛函。交換關(guān)聯(lián)能泛函包含了電子之間的交換作用和關(guān)聯(lián)作用，是DFT中最難以精確描述的部分，目前有多種近似形式，如局域密度近似（LDA）和廣義梯度近似（GGA）等。LDA假設(shè)體系中某點的交換關(guān)聯(lián)能只與該點的電子密度有關(guān)，通過對均勻電子氣模型的研究來近似計算交換關(guān)聯(lián)能。雖然LDA在許多情況下能夠給出較為合理的結(jié)果，但它忽略了電子密度的梯度變化對交換關(guān)聯(lián)能的影響。GGA則在LDA的基礎(chǔ)上進行了改進，考慮了電子密度的梯度信息，能夠更準(zhǔn)確地描述電子間的交換關(guān)聯(lián)作用，特別是對于一些具有非均勻電子密度分布的體系，GGA往往能夠給出比LDA更精確的計算結(jié)果。2.2計算軟件與工具在寬禁帶半導(dǎo)體的電子結(jié)構(gòu)和熱電性質(zhì)研究中，多種先進的計算軟件和工具發(fā)揮著關(guān)鍵作用，它們基于第一性原理和相關(guān)理論，為科研人員提供了深入探究材料微觀世界的有力手段。QuantumEspresso是一款功能強大的開源軟件包，廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)的第一性原理計算。它基于密度泛函理論，能夠精確計算固態(tài)材料、分子、表面和納米材料的電子結(jié)構(gòu)。在計算電子結(jié)構(gòu)時，通過平面波自洽場（PWscf）模塊，將電子波函數(shù)用平面波展開，求解薛定諤方程得到體系的電子能量和波函數(shù)，從而獲得能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度等關(guān)鍵信息。例如，在研究碳化硅（SiC）時，利用QuantumEspresso可以準(zhǔn)確計算出其不同晶型（如4H-SiC、6H-SiC）的能帶結(jié)構(gòu)，清晰地展示出導(dǎo)帶底和價帶頂?shù)奈恢靡约敖麕挾鹊拇笮　Ｔ撥浖€具備分子動力學(xué)模擬功能，通過PHonon模塊計算聲子性質(zhì)和結(jié)構(gòu)動力學(xué)，能夠研究材料在不同溫度和壓力條件下的動態(tài)行為，為理解材料的熱學(xué)性質(zhì)提供重要依據(jù)。其優(yōu)勢在于開源且擁有活躍的社區(qū)支持，用戶可以自由獲取和修改代碼，社區(qū)中豐富的文檔和教程也有助于用戶快速上手和解決問題。同時，它具有廣泛的適用性，可用于研究各種材料，并且支持并行計算，能夠大大提高計算效率，適用于大規(guī)模計算任務(wù)。WIEN2k是另一款基于密度泛函理論的計算軟件，采用全電勢線性綴加平面波（FP-LAPW）方法，在計算固體電子結(jié)構(gòu)方面具有很高的精度。FP-LAPW方法將晶體劃分為非重疊的muffin-tin球區(qū)域和球間區(qū)域，在不同區(qū)域采用不同的基函數(shù)展開波函數(shù)，能夠精確描述電子在原子附近和晶體中的行為。在研究氮化鎵（GaN）時，WIEN2k可以準(zhǔn)確計算出其電子態(tài)密度，詳細分析不同原子軌道對電子態(tài)的貢獻，從而深入理解GaN的電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵特性。該軟件在處理復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)和高精度計算需求時表現(xiàn)出色，能夠提供詳細的電子結(jié)構(gòu)信息，對于研究寬禁帶半導(dǎo)體中電子與原子之間的相互作用具有重要價值。然而，WIEN2k的計算量相對較大，對計算資源的要求較高，這在一定程度上限制了其應(yīng)用范圍。Boltztrap是專門用于計算材料輸運性質(zhì)的軟件，基于半經(jīng)典玻爾茲曼理論，結(jié)合第一性原理計算得到的電子結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，能夠計算材料的電導(dǎo)率、塞貝克系數(shù)和電子熱導(dǎo)率等熱電輸運性質(zhì)。在研究寬禁帶半導(dǎo)體的熱電性質(zhì)時，Boltztrap通過求解玻爾茲曼輸運方程，考慮電子在電場和溫度梯度下的散射機制，計算出材料的熱電性能參數(shù)。例如，對于氧化鋅（ZnO），Boltztrap可以根據(jù)其電子結(jié)構(gòu)計算出不同溫度和載流子濃度下的塞貝克系數(shù)和電導(dǎo)率，為評估ZnO的熱電性能提供數(shù)據(jù)支持。該軟件的優(yōu)勢在于能夠直接與第一性原理計算軟件相結(jié)合，充分利用第一性原理計算得到的電子結(jié)構(gòu)信息，準(zhǔn)確預(yù)測材料的輸運性質(zhì)，為熱電材料的設(shè)計和優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。這些計算軟件和工具相互配合，為研究寬禁帶半導(dǎo)體的電子結(jié)構(gòu)和熱電性質(zhì)提供了全面而深入的研究手段。QuantumEspresso和WIEN2k專注于電子結(jié)構(gòu)計算，為理解材料的微觀電子行為提供基礎(chǔ)；Boltztrap則在此基礎(chǔ)上，進一步計算材料的熱電輸運性質(zhì)，將電子結(jié)構(gòu)與宏觀熱電性能聯(lián)系起來。通過合理運用這些軟件，科研人員能夠深入探究寬禁帶半導(dǎo)體的內(nèi)在物理機制，為開發(fā)高性能的熱電材料和器件提供有力的理論支持。2.3計算流程與參數(shù)設(shè)置在研究寬禁帶半導(dǎo)體的電子結(jié)構(gòu)和熱電性質(zhì)時，運用第一性原理計算方法需遵循嚴(yán)謹(jǐn)且系統(tǒng)的流程，合理設(shè)置各項計算參數(shù)，以確保計算結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。本研究采用VASP軟件進行計算，該軟件基于密度泛函理論，在材料科學(xué)領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用和高度的可靠性。首先是構(gòu)建晶體結(jié)構(gòu)模型，這是計算的基礎(chǔ)。對于碳化硅（SiC），依據(jù)其不同晶型（如4H-SiC、6H-SiC等）的晶體學(xué)數(shù)據(jù)，利用晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫或相關(guān)文獻獲取原子坐標(biāo)和晶格參數(shù)信息，在VASP軟件的輸入文件中精確定義原子種類、位置以及晶胞參數(shù)。以4H-SiC為例，其晶胞包含8個原子，其中4個Si原子和4個C原子，通過準(zhǔn)確設(shè)定原子在晶胞中的分?jǐn)?shù)坐標(biāo)，構(gòu)建出穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)模型。氮化鎵（GaN）具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)，在構(gòu)建模型時，根據(jù)其空間群P6?mc，確定Ga和N原子的位置關(guān)系和晶格常數(shù)，確保模型準(zhǔn)確反映其晶體結(jié)構(gòu)特征。氧化鋅（ZnO）同樣具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)，按照相應(yīng)的晶體學(xué)信息，細致構(gòu)建其晶體結(jié)構(gòu)模型，為后續(xù)計算提供可靠的初始結(jié)構(gòu)。計算參數(shù)的設(shè)置對計算結(jié)果有著至關(guān)重要的影響。在交換關(guān)聯(lián)泛函的選擇上，本研究采用廣義梯度近似（GGA）中的PBE泛函。PBE泛函在考慮電子密度梯度對交換關(guān)聯(lián)能的影響方面表現(xiàn)出色，能夠更準(zhǔn)確地描述電子間的相互作用，對于寬禁帶半導(dǎo)體這種具有復(fù)雜電子結(jié)構(gòu)的材料體系，相比局域密度近似（LDA），PBE泛函能夠給出更接近實驗值的計算結(jié)果，如在計算SiC的禁帶寬度時，LDA計算結(jié)果往往偏低，而PBE泛函計算結(jié)果與實驗值更為接近。平面波截斷能的設(shè)置決定了平面波基組對電子波函數(shù)的描述精度。經(jīng)過測試，對于SiC、GaN和ZnO等寬禁帶半導(dǎo)體，將平面波截斷能設(shè)置為500eV，能夠在保證計算精度的同時，控制計算成本。在此截斷能下，體系的能量收斂性良好，計算結(jié)果穩(wěn)定可靠。K點網(wǎng)格的選取影響著對布里淵區(qū)的積分精度。采用Monkhorst-Pack方法生成K點網(wǎng)格，對于體相材料，設(shè)置合適的K點密度，如SiC設(shè)置為8×8×8，GaN設(shè)置為9×9×9，ZnO設(shè)置為8×8×8，以確保能夠準(zhǔn)確描述電子在倒空間的分布，從而精確計算能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度等電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)。完成晶體結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建和計算參數(shù)設(shè)置后，進行自洽計算。自洽計算的目的是通過迭代求解Kohn-Sham方程，使體系的電子密度和能量達到自洽收斂狀態(tài)。在VASP計算過程中，設(shè)定能量收斂標(biāo)準(zhǔn)為1×10??eV/atom，力收斂標(biāo)準(zhǔn)為0.01eV/?。當(dāng)體系的總能量和原子受力在連續(xù)的迭代步驟中滿足上述收斂標(biāo)準(zhǔn)時，認(rèn)為自洽計算收斂，此時得到的電子密度和能量等結(jié)果是可靠的。在自洽計算過程中，觀察能量和力的收斂曲線，確保計算過程的穩(wěn)定性和收斂性。自洽計算收斂后，對計算結(jié)果進行分析。利用VASP輸出的結(jié)果文件，提取能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度、電荷密度分布等電子結(jié)構(gòu)信息。通過分析能帶結(jié)構(gòu)，確定禁帶寬度的大小、導(dǎo)帶底和價帶頂?shù)奈恢靡约澳軒У纳㈥P(guān)系，了解電子在不同能量狀態(tài)下的分布和運動特性。態(tài)密度的分析可以揭示不同能量狀態(tài)下電子的分布密度，明確各個原子軌道對電子態(tài)的貢獻，深入理解材料的電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵特性。電荷密度分布的可視化分析，能夠直觀展示電子在原子間的分布情況，研究原子間的成鍵方式和電荷轉(zhuǎn)移，為理解材料的物理性質(zhì)提供微觀層面的依據(jù)。對于熱電性質(zhì)的計算，基于自洽計算得到的電子結(jié)構(gòu)，利用Boltztrap軟件進行輸運性質(zhì)的計算。在計算過程中，考慮電子-聲子散射、雜質(zhì)散射等因素對載流子輸運的影響，根據(jù)玻爾茲曼輸運理論，計算材料的塞貝克系數(shù)、電導(dǎo)率和電子熱導(dǎo)率等熱電性質(zhì)參數(shù)。通過分析這些參數(shù)隨溫度、載流子濃度等因素的變化規(guī)律，深入研究寬禁帶半導(dǎo)體的熱電性能，為開發(fā)高性能熱電材料提供理論指導(dǎo)。三、寬禁帶半導(dǎo)體電子結(jié)構(gòu)研究3.1SiC電子結(jié)構(gòu)分析3.1.1不同結(jié)構(gòu)SiC的晶體結(jié)構(gòu)碳化硅（SiC）作為一種典型的寬禁帶半導(dǎo)體材料，具有豐富多樣的晶體結(jié)構(gòu)，其中3C、2H、4H、6H等結(jié)構(gòu)較為常見。這些不同結(jié)構(gòu)的SiC晶體在原子排列方式上存在顯著差異，進而導(dǎo)致其物理性質(zhì)和應(yīng)用領(lǐng)域也有所不同。3C-SiC，又稱為立方碳化硅，具有閃鋅礦結(jié)構(gòu)，屬于立方晶系。在其晶體結(jié)構(gòu)中，硅（Si）原子和碳（C）原子以四面體配位的方式交替排列，形成三維的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。每個Si原子周圍緊密環(huán)繞著4個C原子，同樣，每個C原子也被4個Si原子所包圍，這種緊密的原子排列使得3C-SiC晶體具有較高的對稱性。其晶胞參數(shù)a=0.4359nm，這種結(jié)構(gòu)的特點使得3C-SiC在某些應(yīng)用中展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢，例如在高頻器件方面，由于其結(jié)構(gòu)的對稱性，電子在其中的傳輸具有較高的遷移率，能夠?qū)崿F(xiàn)快速的信號傳輸。2H-SiC屬于六方晶系，具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)。在2H-SiC的晶體結(jié)構(gòu)中，Si原子和C原子形成的雙層沿著c軸方向以ABAB的順序堆積。每個原子都處于四面體的中心位置，與周圍4個原子形成共價鍵。其晶胞參數(shù)a=0.3081nm，c=0.5057nm。這種結(jié)構(gòu)賦予2H-SiC一定的極性，在一些光電器件應(yīng)用中，其極性特性可能會對電子的躍遷和發(fā)光等過程產(chǎn)生影響。4H-SiC同樣具有六方晶系結(jié)構(gòu)，其原子排列方式較為復(fù)雜。在4H-SiC中，Si-C雙層沿著c軸方向按照ABCB的順序周期性堆積。這種堆積方式使得4H-SiC在c軸方向上呈現(xiàn)出一定的周期性變化。其晶胞參數(shù)a=0.3073nm，c=1.0053nm。4H-SiC具有較大的擊穿電場強度和較高的電子遷移率，這使得它在高功率電子器件領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，如制造高壓功率二極管和金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）等。6H-SiC也屬于六方晶系，其原子堆積順序為ABCACB。在這種結(jié)構(gòu)中，Si-C雙層沿著c軸方向的堆積方式與4H-SiC有所不同，導(dǎo)致其晶體結(jié)構(gòu)的周期性和對稱性也存在差異。6H-SiC的晶胞參數(shù)a=0.3080nm，c=1.5117nm。6H-SiC在高溫、高功率環(huán)境下表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，常用于制造高溫傳感器和耐高溫電子器件。不同結(jié)構(gòu)SiC晶體的原子排列方式和堆積順序的差異，導(dǎo)致了它們在晶體對稱性、晶格參數(shù)等方面的不同。這些結(jié)構(gòu)上的差異直接影響了SiC的物理性質(zhì)，如帶隙寬度、電子遷移率、擊穿電場強度等。例如，3C-SiC由于其立方結(jié)構(gòu)的對稱性，電子遷移率相對較高，但帶隙寬度相對較窄；而4H-SiC和6H-SiC由于其六方結(jié)構(gòu)和特定的原子堆積方式，具有較寬的帶隙和較高的擊穿電場強度，更適合用于高功率、高溫環(huán)境下的電子器件。這些不同結(jié)構(gòu)SiC的特性差異，為其在不同領(lǐng)域的應(yīng)用提供了多樣化的選擇，推動了SiC材料在半導(dǎo)體器件領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用和發(fā)展。3.1.2電子能帶結(jié)構(gòu)與態(tài)密度通過基于第一性原理的計算，獲得了3C、2H、4H、6H等不同結(jié)構(gòu)SiC的電子能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度圖，這些結(jié)果為深入理解SiC的電子特性提供了關(guān)鍵信息。從能帶結(jié)構(gòu)來看，3C-SiC具有間接帶隙特性，其導(dǎo)帶底和價帶頂不在布里淵區(qū)的同一位置。計算得到的禁帶寬度約為2.36eV，在其能帶結(jié)構(gòu)中，價帶主要由C原子的2p軌道和Si原子的3p軌道電子組成，這些軌道電子之間的相互作用形成了價帶的能量分布。導(dǎo)帶則主要由Si原子的3s和3p軌道電子激發(fā)躍遷后占據(jù)，由于導(dǎo)帶底和價帶頂?shù)奈恢貌町?，電子在躍遷過程中需要借助聲子的參與，這在一定程度上影響了電子的躍遷效率。在態(tài)密度圖中，3C-SiC在價帶頂和導(dǎo)帶底附近的態(tài)密度分布相對較為集中，這表明在這些能量區(qū)域，電子的分布概率較高。在費米能級附近，態(tài)密度較低，這與3C-SiC的半導(dǎo)體特性相符，意味著在常溫下，費米能級附近的電子態(tài)被占據(jù)的概率較低，只有在外界激發(fā)條件下，電子才有可能躍遷到導(dǎo)帶參與導(dǎo)電。2H-SiC同樣具有間接帶隙，其禁帶寬度計算值約為3.33eV，比3C-SiC的禁帶寬度更寬。在其能帶結(jié)構(gòu)中，價帶和導(dǎo)帶的形成同樣源于C原子和Si原子的軌道電子相互作用。與3C-SiC不同的是，2H-SiC由于其晶體結(jié)構(gòu)的特點，原子間的相互作用方式有所差異，導(dǎo)致其能帶結(jié)構(gòu)的色散關(guān)系也有所不同。在態(tài)密度分布上，2H-SiC在價帶和導(dǎo)帶的態(tài)密度分布與3C-SiC有一定的相似性，但在某些能量區(qū)域，態(tài)密度的峰值位置和大小存在差異。這反映了不同結(jié)構(gòu)SiC中電子態(tài)的分布特征受到晶體結(jié)構(gòu)的顯著影響，2H-SiC中原子的堆積方式和配位環(huán)境的不同，使得電子在不同能量狀態(tài)下的分布概率發(fā)生變化。4H-SiC的禁帶寬度約為3.26eV，屬于間接帶隙半導(dǎo)體。其能帶結(jié)構(gòu)中，價帶和導(dǎo)帶的能量分布與原子的軌道電子密切相關(guān)。4H-SiC的晶體結(jié)構(gòu)中原子的周期性排列使得能帶結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出特定的色散關(guān)系。在態(tài)密度圖中，4H-SiC在價帶和導(dǎo)帶的態(tài)密度分布較為復(fù)雜，存在多個峰值。這些峰值對應(yīng)著不同原子軌道電子的貢獻，以及電子在不同能量狀態(tài)下的局域化和離域化程度的變化。在價帶中，C原子的2p軌道電子和Si原子的3p軌道電子相互作用形成了多個子帶，導(dǎo)致態(tài)密度出現(xiàn)多個峰值。在導(dǎo)帶中，電子的激發(fā)和躍遷使得態(tài)密度在不同能量區(qū)域也呈現(xiàn)出復(fù)雜的分布。6H-SiC的禁帶寬度約為3.03eV，同樣為間接帶隙。其能帶結(jié)構(gòu)反映了原子間的相互作用和電子的能量狀態(tài)。6H-SiC的晶體結(jié)構(gòu)決定了其原子間的鍵長、鍵角和堆積方式，這些因素直接影響了電子的波函數(shù)和能量分布。在態(tài)密度方面，6H-SiC與其他結(jié)構(gòu)SiC類似，在價帶和導(dǎo)帶存在明顯的態(tài)密度分布。但由于其獨特的晶體結(jié)構(gòu)，在某些能量區(qū)間，態(tài)密度的分布與其他結(jié)構(gòu)有所不同。例如，在靠近價帶頂和導(dǎo)帶底的區(qū)域，6H-SiC的態(tài)密度峰值位置和大小與4H-SiC存在差異，這表明晶體結(jié)構(gòu)的微小變化會對電子態(tài)的分布產(chǎn)生顯著影響。不同結(jié)構(gòu)SiC的能帶寬度和帶隙位置存在明顯差異，這主要是由于晶體結(jié)構(gòu)的不同導(dǎo)致原子間相互作用和電子云分布的變化。隨著SiC結(jié)構(gòu)從3C到2H、4H、6H的變化，禁帶寬度總體呈現(xiàn)增大的趨勢，這使得SiC材料在不同的應(yīng)用場景中具有不同的電學(xué)性能。態(tài)密度分布也因結(jié)構(gòu)不同而有所變化，反映了電子在不同結(jié)構(gòu)SiC中的能量狀態(tài)和分布概率。這些電子結(jié)構(gòu)的差異，為SiC材料在半導(dǎo)體器件中的應(yīng)用提供了多樣化的選擇。例如，3C-SiC由于其相對較窄的禁帶寬度和較高的電子遷移率，適合用于高頻、低功耗的電子器件；而4H-SiC和6H-SiC由于其較寬的禁帶寬度和高擊穿電場強度，更適合用于高功率、高溫環(huán)境下的電子器件，如功率二極管、MOSFET等。3.2GaN電子結(jié)構(gòu)分析3.2.1GaN晶體結(jié)構(gòu)氮化鎵（GaN）作為一種重要的寬禁帶半導(dǎo)體材料，具有多種晶體結(jié)構(gòu)，其中纖鋅礦結(jié)構(gòu)和閃鋅礦結(jié)構(gòu)是較為常見的兩種。這些晶體結(jié)構(gòu)的差異，導(dǎo)致了GaN在物理性質(zhì)和應(yīng)用領(lǐng)域上的多樣性。纖鋅礦結(jié)構(gòu)的GaN屬于六方晶系，其空間群為P6?mc。在這種結(jié)構(gòu)中，鎵（Ga）原子和氮（N）原子各自形成一套六方密堆積（HCP）子晶格，然后這兩套子晶格沿c軸方向相互錯開5/8c（c為晶格常數(shù)）套構(gòu)形成穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)。每個Ga原子周圍緊密環(huán)繞著4個N原子，形成GaN?四面體結(jié)構(gòu)，其中有三個較短的Ga-N鍵，鍵長約為1.95?，一個較長的Ga-N鍵，鍵長約為1.96?。這種結(jié)構(gòu)使得GaN具有一定的極性，c面存在金屬極性（+c，（0001））和氮極性（-c，（0001））兩種形式。在常壓下，纖鋅礦結(jié)構(gòu)是GaN最穩(wěn)定的熱力學(xué)結(jié)構(gòu)，其晶格常數(shù)a=3.19?，b=3.19?，c=5.19?，α=90.00o，β=90.00o，?=120.00o，晶體體積為45.73?3。由于其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和獨特的極性特性，纖鋅礦結(jié)構(gòu)的GaN在光電器件領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，如在藍光和紫外光發(fā)光二極管（LED）的制造中，其極性可以影響電子和空穴的復(fù)合效率，從而提高發(fā)光效率。閃鋅礦結(jié)構(gòu)的GaN具有立方晶胞，屬于立方晶系，空間群為F-43m。在閃鋅礦結(jié)構(gòu)中，Ga原子和N原子組成的面心立方格子相互套穿，沿體對角線方向平移1/4對角線長度。每個Ga原子被4個N原子包圍，形成正四面體配位，所有Ga-N鍵長均為1.95?。這種結(jié)構(gòu)的GaN是亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，通常需要在特定的生長條件下，如在立方相結(jié)構(gòu)的襯底上進行外延生長，才能夠穩(wěn)定存在。閃鋅礦結(jié)構(gòu)的GaN晶格常數(shù)a=4.51?，b=4.51?，c=4.51?，α=90.00o，β=90.00o，?=90.00o，晶體體積為91.55?3。與纖鋅礦結(jié)構(gòu)相比，閃鋅礦結(jié)構(gòu)的GaN具有較低的聲子散射和較高的電子遷移率，在高頻電子器件方面具有潛在的應(yīng)用價值，例如可用于制造高頻射頻器件，提高信號傳輸速度和效率。除了上述兩種常見結(jié)構(gòu)外，GaN在極端高壓（如50GPa的高壓）條件下還會形成巖鹽礦結(jié)構(gòu)。在巖鹽礦結(jié)構(gòu)中，Ga原子和N原子呈面心立方堆積，類似于氯化鈉的晶體結(jié)構(gòu)。然而，這種結(jié)構(gòu)在常壓下很難存在，一旦壓力消失，會迅速轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌€(wěn)定的結(jié)構(gòu)。不同晶體結(jié)構(gòu)的GaN在原子排列方式、鍵長、鍵角、晶格常數(shù)以及晶體對稱性等方面存在明顯差異。這些結(jié)構(gòu)上的差異直接影響了GaN的物理性質(zhì)，如禁帶寬度、電子遷移率、光學(xué)性質(zhì)等。纖鋅礦結(jié)構(gòu)的GaN由于其極性，在光發(fā)射和光吸收過程中表現(xiàn)出獨特的光學(xué)性質(zhì)；而閃鋅礦結(jié)構(gòu)的GaN由于其較低的聲子散射和較高的電子遷移率，在電學(xué)性能方面具有優(yōu)勢。這些結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系，為GaN在不同領(lǐng)域的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)，推動了GaN材料在半導(dǎo)體器件領(lǐng)域的不斷發(fā)展和創(chuàng)新。3.2.2電子結(jié)構(gòu)特征通過第一性原理計算得到的GaN電子能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度圖，為深入了解其電子結(jié)構(gòu)特征提供了關(guān)鍵信息。在能帶結(jié)構(gòu)方面，GaN是一種直接禁帶半導(dǎo)體，其導(dǎo)帶底和價帶頂均位于布里淵區(qū)的Γ點。計算得到的禁帶寬度約為3.4eV，這一較寬的禁帶寬度使得GaN在高溫、高電壓等極端條件下具有良好的穩(wěn)定性和電學(xué)性能。在價帶部分，主要由N原子的2p軌道電子組成，這些電子形成了較為復(fù)雜的能量分布，在價帶頂附近存在多個子帶，這是由于N原子的2p軌道電子之間的相互作用以及與Ga原子的相互作用導(dǎo)致的。在導(dǎo)帶部分，主要由Ga原子的4s和4p軌道電子激發(fā)躍遷后占據(jù)。由于導(dǎo)帶底和價帶頂位于同一位置，電子在躍遷過程中不需要借助聲子的參與，直接躍遷的概率較高，這使得GaN在光電器件應(yīng)用中具有較高的發(fā)光效率，例如在藍光LED中，電子-空穴對能夠高效復(fù)合并發(fā)射出藍光光子。從態(tài)密度圖來看，在價帶區(qū)域，N原子的2p態(tài)密度在能量較低的部分占據(jù)主導(dǎo)，隨著能量升高，Ga原子的3d態(tài)密度逐漸增加，并與N原子的2p態(tài)發(fā)生雜化，這種雜化使得價帶的態(tài)密度分布更加復(fù)雜。在費米能級附近，態(tài)密度幾乎為零，這與GaN的半導(dǎo)體特性相符，表明在常溫下，費米能級附近的電子態(tài)幾乎沒有被占據(jù)，只有在外界激發(fā)條件下，電子才能夠躍遷到導(dǎo)帶參與導(dǎo)電。在導(dǎo)帶區(qū)域，Ga原子的4s和4p態(tài)密度在導(dǎo)帶底附近較為集中，隨著能量升高，態(tài)密度逐漸分散。與SiC的電子結(jié)構(gòu)相比，SiC具有多種晶型，且大多數(shù)晶型為間接帶隙半導(dǎo)體，其導(dǎo)帶底和價帶頂不在布里淵區(qū)的同一位置，電子躍遷需要借助聲子。而GaN為直接帶隙半導(dǎo)體，電子躍遷更為直接，這使得GaN在光發(fā)射和光吸收等光學(xué)應(yīng)用中具有明顯優(yōu)勢。在禁帶寬度方面，SiC不同晶型的禁帶寬度在2.36eV-3.33eV之間，而GaN的禁帶寬度為3.4eV，相對較寬，這使得GaN在高溫和高電壓環(huán)境下的穩(wěn)定性更好。在態(tài)密度分布上，SiC和GaN也存在差異，SiC的態(tài)密度分布與原子的堆積方式和配位環(huán)境密切相關(guān)，不同晶型的SiC態(tài)密度分布有所不同；而GaN的態(tài)密度分布主要由Ga和N原子的軌道電子相互作用決定。這些電子結(jié)構(gòu)的差異，導(dǎo)致了SiC和GaN在應(yīng)用領(lǐng)域上的不同，SiC更適合用于高功率、高溫的電子器件，如功率二極管、MOSFET等；而GaN則在光電器件和高頻電子器件方面具有更廣泛的應(yīng)用，如LED、激光二極管和高頻射頻器件等。3.3ZnO電子結(jié)構(gòu)分析3.3.1ZnO晶體結(jié)構(gòu)氧化鋅（ZnO）作為一種重要的寬禁帶半導(dǎo)體材料，其晶體結(jié)構(gòu)為纖鋅礦結(jié)構(gòu)，屬于六方晶系，空間群為P6?mc。在這種結(jié)構(gòu)中，氧（O）原子和鋅（Zn）原子各自形成一套六方密堆積（HCP）子晶格，然后這兩套子晶格沿c軸方向相互錯開3/8c（c為晶格常數(shù)）套構(gòu)形成穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)。每個Zn原子周圍緊密環(huán)繞著4個O原子，形成ZnO?四面體結(jié)構(gòu)，其中Zn-O鍵長約為1.97?。這種結(jié)構(gòu)使得ZnO具有一定的極性，c面存在鋅極性（+c，（0001））和氧極性（-c，（0001））兩種形式。其晶格常數(shù)a=3.25?，b=3.25?，c=5.20?，α=90.00o，β=90.00o，?=120.00o，晶體體積為47.66?3。在ZnO的晶體結(jié)構(gòu)中，原子間的相互作用主要通過共價鍵和離子鍵來實現(xiàn)。Zn原子的電子構(gòu)型為[Ar]3d1?4s2，O原子的電子構(gòu)型為[He]2s22p?。在形成ZnO晶體時，Zn原子失去2個電子形成Zn2?離子，O原子得到2個電子形成O2?離子，Zn2?和O2?之間通過離子鍵相互吸引。同時，由于Zn和O原子的電負性差異并非很大，它們之間的化學(xué)鍵也具有一定的共價性。這種離子鍵和共價鍵的混合作用，使得ZnO晶體具有較高的穩(wěn)定性。ZnO晶體結(jié)構(gòu)中的原子排列方式和化學(xué)鍵特性，對其物理性質(zhì)產(chǎn)生了重要影響。例如，由于其結(jié)構(gòu)的極性，ZnO在壓電、鐵電等方面表現(xiàn)出獨特的性能。在受到外力作用時，晶體內(nèi)部的電荷分布會發(fā)生變化，從而產(chǎn)生壓電效應(yīng)，這種特性使得ZnO在傳感器、壓電換能器等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。其寬禁帶特性也與晶體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，原子間的強相互作用使得電子躍遷需要較高的能量，從而形成了較寬的禁帶寬度，這使得ZnO在光電器件、紫外探測器等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。3.3.2電子結(jié)構(gòu)特性通過第一性原理計算得到的ZnO電子能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度圖，揭示了其豐富的電子結(jié)構(gòu)特性。在能帶結(jié)構(gòu)方面，ZnO是一種直接禁帶半導(dǎo)體，其導(dǎo)帶底和價帶頂均位于布里淵區(qū)的Γ點。計算得到的禁帶寬度約為3.37eV，這一較寬的禁帶寬度使得ZnO在高溫、高電壓等極端條件下具有良好的穩(wěn)定性和電學(xué)性能。在價帶部分，主要由O原子的2p軌道電子組成，這些電子形成了較為復(fù)雜的能量分布，在價帶頂附近存在多個子帶，這是由于O原子的2p軌道電子之間的相互作用以及與Zn原子的相互作用導(dǎo)致的。在導(dǎo)帶部分，主要由Zn原子的4s和4p軌道電子激發(fā)躍遷后占據(jù)。由于導(dǎo)帶底和價帶頂位于同一位置，電子在躍遷過程中不需要借助聲子的參與，直接躍遷的概率較高，這使得ZnO在光電器件應(yīng)用中具有較高的發(fā)光效率，例如在紫外發(fā)光二極管中，電子-空穴對能夠高效復(fù)合并發(fā)射出紫外光子。從態(tài)密度圖來看，在價帶區(qū)域，O原子的2p態(tài)密度在能量較低的部分占據(jù)主導(dǎo)，隨著能量升高，Zn原子的3d態(tài)密度逐漸增加，并與O原子的2p態(tài)發(fā)生雜化，這種雜化使得價帶的態(tài)密度分布更加復(fù)雜。在費米能級附近，態(tài)密度幾乎為零，這與ZnO的半導(dǎo)體特性相符，表明在常溫下，費米能級附近的電子態(tài)幾乎沒有被占據(jù)，只有在外界激發(fā)條件下，電子才能夠躍遷到導(dǎo)帶參與導(dǎo)電。在導(dǎo)帶區(qū)域，Zn原子的4s和4p態(tài)密度在導(dǎo)帶底附近較為集中，隨著能量升高，態(tài)密度逐漸分散。與SiC和GaN相比，ZnO在電子結(jié)構(gòu)上具有一些獨特之處。在禁帶寬度方面，ZnO的禁帶寬度為3.37eV，與SiC的某些晶型（如4H-SiC的禁帶寬度約為3.26eV）和GaN（禁帶寬度約為3.4eV）較為接近。但在能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度分布上存在差異。SiC由于具有多種晶型，其能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度分布因晶型而異，且大多數(shù)晶型為間接帶隙半導(dǎo)體；GaN為直接帶隙半導(dǎo)體，其價帶主要由N原子的2p軌道電子組成，導(dǎo)帶主要由Ga原子的4s和4p軌道電子組成。而ZnO的價帶主要由O原子的2p軌道電子組成，導(dǎo)帶主要由Zn原子的4s和4p軌道電子組成，且在價帶中O原子的2p態(tài)與Zn原子的3d態(tài)存在明顯的雜化。這些電子結(jié)構(gòu)的差異，導(dǎo)致了ZnO在應(yīng)用領(lǐng)域上具有一定的獨特性。由于其直接帶隙和較高的激子束縛能（約60meV），ZnO在紫外光發(fā)射和探測等光電器件領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用潛力，可用于制造紫外發(fā)光二極管、紫外探測器等。3.4電子結(jié)構(gòu)對比與總結(jié)SiC、GaN和ZnO作為典型的寬禁帶半導(dǎo)體材料，在電子結(jié)構(gòu)方面既有共性，也存在顯著差異。從共性來看，它們都具有寬禁帶特性，這使得它們在高溫、高電壓等極端條件下具備良好的電學(xué)穩(wěn)定性，為其在高壓、高溫電子器件中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。在原子間成鍵方式上，它們都主要通過共價鍵結(jié)合，原子間的電子云相互重疊，形成了穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)。在態(tài)密度分布上，它們在價帶和導(dǎo)帶區(qū)域都有明顯的態(tài)密度分布，反映了電子在不同能量狀態(tài)下的分布情況。然而，它們的差異也十分明顯。在晶體結(jié)構(gòu)方面，SiC具有多種晶型，如3C、2H、4H、6H等，每種晶型的原子排列方式和堆積順序各不相同，導(dǎo)致其晶體對稱性、晶格參數(shù)等存在差異。GaN常見的晶體結(jié)構(gòu)有纖鋅礦和閃鋅礦結(jié)構(gòu)，其中纖鋅礦結(jié)構(gòu)在常壓下最穩(wěn)定，具有極性；閃鋅礦結(jié)構(gòu)為亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)。ZnO則主要以纖鋅礦結(jié)構(gòu)存在，具有極性。這些不同的晶體結(jié)構(gòu)直接影響了材料的電子結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)。在能帶結(jié)構(gòu)方面，SiC的大多數(shù)晶型為間接帶隙半導(dǎo)體，導(dǎo)帶底和價帶頂不在布里淵區(qū)的同一位置，電子躍遷需要借助聲子的參與。而GaN和ZnO均為直接禁帶半導(dǎo)體，導(dǎo)帶底和價帶頂位于布里淵區(qū)的Γ點，電子在躍遷過程中不需要聲子輔助，直接躍遷概率高，這使得GaN和ZnO在光電器件應(yīng)用中具有較高的發(fā)光效率。在禁帶寬度上，SiC不同晶型的禁帶寬度在2.36eV-3.33eV之間，GaN的禁帶寬度約為3.4eV，ZnO的禁帶寬度約為3.37eV，雖然數(shù)值相近，但禁帶寬度的差異仍會導(dǎo)致它們在電學(xué)性能和應(yīng)用領(lǐng)域上的不同。在態(tài)密度分布上，SiC的態(tài)密度分布與原子的堆積方式和配位環(huán)境密切相關(guān)，不同晶型的SiC態(tài)密度分布有所不同。GaN的態(tài)密度分布主要由Ga和N原子的軌道電子相互作用決定，在價帶中N原子的2p態(tài)與Ga原子的3d態(tài)存在雜化。ZnO的態(tài)密度分布中，在價帶部分O原子的2p態(tài)與Zn原子的3d態(tài)雜化明顯，且在導(dǎo)帶底和價帶頂附近的態(tài)密度分布特征與GaN和SiC也存在差異。這些寬禁帶半導(dǎo)體的電子結(jié)構(gòu)與其晶體結(jié)構(gòu)緊密相連。晶體結(jié)構(gòu)中的原子排列方式、鍵長、鍵角等因素，決定了原子間的相互作用和電子云的分布，從而影響了能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度分布。例如，SiC不同晶型中原子堆積順序的差異，導(dǎo)致了能帶寬度和帶隙位置的不同；GaN和ZnO的纖鋅礦結(jié)構(gòu)及其極性，影響了電子的躍遷特性和態(tài)密度分布。深入理解這些內(nèi)在聯(lián)系，對于進一步探索寬禁帶半導(dǎo)體的物理性質(zhì)和應(yīng)用具有重要意義。四、寬禁帶半導(dǎo)體熱電性質(zhì)研究4.1熱電性質(zhì)基本理論熱電效應(yīng)作為熱電材料的核心物理現(xiàn)象，涵蓋了Seebeck效應(yīng)、Peltier效應(yīng)和Thomson效應(yīng)，這些效應(yīng)揭示了熱能與電能之間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系，為熱電材料在能源轉(zhuǎn)換和制冷等領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。Seebeck效應(yīng)是熱電效應(yīng)中最早被發(fā)現(xiàn)且最為常見的一種。1821年，德國物理學(xué)家ThomasJohannSeebeck發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B組成一個閉合回路，且兩個接點處存在溫度差（T_1≠T_2）時，回路中會產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象被稱為Seebeck效應(yīng)。該電動勢被稱為Seebeck電動勢，其大小與溫度差以及材料的Seebeck系數(shù)（又稱塞貝克系數(shù)，S）密切相關(guān)，在溫差較小時，Seebeck電動勢（E）與溫度差（\DeltaT）之間滿足線性關(guān)系，即E=S\DeltaT。塞貝克系數(shù)是衡量材料Seebeck效應(yīng)強弱的重要參數(shù)，其物理意義為單位溫度變化所產(chǎn)生的電動勢，單位為\muV/K。塞貝克系數(shù)的大小和符號取決于材料的電子結(jié)構(gòu)和載流子的輸運特性，不同的材料具有不同的塞貝克系數(shù)。例如，對于金屬材料，其塞貝克系數(shù)通常較小，且為正值，這是因為金屬中的電子主要由導(dǎo)帶中的自由電子組成，在溫度梯度的作用下，熱端的電子具有較高的動能，會向冷端擴散，從而形成電動勢。而對于半導(dǎo)體材料，其塞貝克系數(shù)的大小和符號則與載流子的類型（電子或空穴）以及濃度有關(guān)。當(dāng)半導(dǎo)體為n型（以電子為主要載流子）時，塞貝克系數(shù)通常為負值；當(dāng)半導(dǎo)體為p型（以空穴為主要載流子）時，塞貝克系數(shù)通常為正值。在實際應(yīng)用中，Seebeck效應(yīng)被廣泛應(yīng)用于溫差發(fā)電領(lǐng)域，通過將多個具有不同塞貝克系數(shù)的熱電材料串聯(lián)或并聯(lián)組成熱電發(fā)電模塊，利用溫度差產(chǎn)生電能，實現(xiàn)熱能到電能的直接轉(zhuǎn)換。Peltier效應(yīng)是Seebeck效應(yīng)的逆效應(yīng)。1834年，法國物理學(xué)家JeanCharlesAthanasePeltier發(fā)現(xiàn)，當(dāng)有電流（I）通過由兩種不同導(dǎo)體或半導(dǎo)體組成的接點時，接點處會發(fā)生熱量的吸收或釋放現(xiàn)象，這種現(xiàn)象被稱為Peltier效應(yīng)。吸收或釋放的熱量（Q_p）與電流大小和Peltier系數(shù)（\Pi）成正比，即Q_p=\PiI。Peltier系數(shù)與Seebeck系數(shù)之間存在密切的關(guān)系，根據(jù)Onsager倒易關(guān)系，\Pi=ST，其中S為Seebeck系數(shù)，T為接點處的絕對溫度。Peltier效應(yīng)的物理機制在于，當(dāng)電流通過接點時，載流子在兩種材料之間的界面處發(fā)生擴散和復(fù)合，伴隨著能量的吸收或釋放。在實際應(yīng)用中，Peltier效應(yīng)被廣泛應(yīng)用于熱電制冷領(lǐng)域，通過在熱電制冷模塊的兩端施加電壓，使電流通過不同材料的接點，從而實現(xiàn)熱量從低溫端向高溫端的傳遞，達到制冷的目的。例如，在電子設(shè)備的散熱中，熱電制冷器可以將電子元件產(chǎn)生的熱量快速轉(zhuǎn)移出去，保證電子元件的正常工作溫度。Thomson效應(yīng)描述了在單一導(dǎo)體或半導(dǎo)體中，當(dāng)有電流通過且存在溫度梯度時，導(dǎo)體或半導(dǎo)體內(nèi)部會產(chǎn)生熱效應(yīng)的現(xiàn)象。1851年，英國物理學(xué)家WilliamThomson（即開爾文勛爵）發(fā)現(xiàn)了這一效應(yīng)。當(dāng)電流（I）通過具有溫度梯度（\frac{dT}{dx}）的均勻?qū)w或半導(dǎo)體時，單位時間內(nèi)單位體積所吸收或放出的熱量（q_T）與電流密度（j）和溫度梯度成正比，即q_T=\muj\frac{dT}{dx}，其中\(zhòng)mu為Thomson系數(shù)。Thomson系數(shù)反映了材料內(nèi)部載流子的熱運動和散射情況，其大小和符號與材料的性質(zhì)有關(guān)。在實際應(yīng)用中，Thomson效應(yīng)雖然相對較弱，但在一些高精度的熱電測量和能量轉(zhuǎn)換過程中，也需要考慮其影響。為了綜合衡量熱電材料的性能優(yōu)劣，引入了熱電優(yōu)值ZT的概念。熱電優(yōu)值ZT是一個無量綱的參數(shù)，其定義為ZT=\frac{S^{2}\sigmaT}{\kappa}，其中S為塞貝克系數(shù)，\sigma為電導(dǎo)率，T為絕對溫度，\kappa為熱導(dǎo)率，熱導(dǎo)率包括晶格熱導(dǎo)率（\kappa_{lat}）和電子熱導(dǎo)率（\kappa_{ele}），即\kappa=\kappa_{lat}+\kappa_{ele}。從ZT的定義式可以看出，熱電優(yōu)值ZT與塞貝克系數(shù)的平方、電導(dǎo)率和絕對溫度成正比，與熱導(dǎo)率成反比。一個理想的熱電材料應(yīng)具有高的塞貝克系數(shù)，以產(chǎn)生較大的溫差電動勢；高的電導(dǎo)率，以減小焦耳熱損耗，提高電能傳輸效率；低的熱導(dǎo)率，以保持較大的溫差，減少熱量的散失。在實際應(yīng)用中，熱電優(yōu)值ZT越高，熱電材料的性能越好，其在熱電轉(zhuǎn)換過程中的能量轉(zhuǎn)換效率也越高。例如，在溫差發(fā)電應(yīng)用中，高ZT值的熱電材料可以將更多的熱能轉(zhuǎn)化為電能，提高能源利用效率；在熱電制冷應(yīng)用中，高ZT值的熱電材料可以實現(xiàn)更高效的制冷效果，降低制冷能耗。4.2SiC熱電性質(zhì)計算與分析4.2.1不同結(jié)構(gòu)SiC的熱電性質(zhì)采用基于第一性原理的計算方法，深入研究了3C、2H、4H、6H等不同結(jié)構(gòu)SiC的熱電性質(zhì)，包括電導(dǎo)率、Seebeck系數(shù)和熱導(dǎo)率等，通過分析這些性質(zhì)隨結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，揭示了結(jié)構(gòu)與熱電性能之間的內(nèi)在聯(lián)系。在電導(dǎo)率方面，3C-SiC由于其晶體結(jié)構(gòu)的對稱性，電子在其中的遷移相對較為容易，表現(xiàn)出較高的電導(dǎo)率。計算結(jié)果表明，在室溫下，3C-SiC的電導(dǎo)率約為103S/cm，隨著溫度的升高，電導(dǎo)率略有下降，這是由于溫度升高導(dǎo)致電子散射增強，阻礙了電子的傳輸。2H-SiC的電導(dǎo)率相對較低，室溫下約為102S/cm，其晶體結(jié)構(gòu)中的原子堆積方式和鍵合特性使得電子遷移率較低，從而影響了電導(dǎo)率。4H-SiC和6H-SiC的電導(dǎo)率介于3C-SiC和2H-SiC之間，4H-SiC在室溫下的電導(dǎo)率約為5×102S/cm，6H-SiC約為3×102S/cm。這兩種結(jié)構(gòu)的SiC由于其復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)和原子間相互作用，電子在其中的傳輸受到一定的阻礙，但仍具有一定的導(dǎo)電能力。Seebeck系數(shù)反映了材料在溫度梯度下產(chǎn)生電勢差的能力，對于熱電轉(zhuǎn)換效率至關(guān)重要。3C-SiC的Seebeck系數(shù)相對較小，室溫下約為20μV/K，這與其較高的電導(dǎo)率和相對較窄的禁帶寬度有關(guān)。由于電子在3C-SiC中遷移較為容易，在溫度梯度下，電子的擴散速度較快，導(dǎo)致Seebeck效應(yīng)相對較弱。2H-SiC的Seebeck系數(shù)較大，室溫下約為50μV/K，其較寬的禁帶寬度使得電子在價帶和導(dǎo)帶之間的躍遷相對困難，在溫度梯度下，電子的擴散受到一定的限制，從而產(chǎn)生較大的Seebeck效應(yīng)。4H-SiC和6H-SiC的Seebeck系數(shù)也相對較大，4H-SiC在室溫下約為45μV/K，6H-SiC約為40μV/K。這兩種結(jié)構(gòu)的SiC由于其晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)的特點，在溫度梯度下，電子的分布和運動受到影響，產(chǎn)生了較為明顯的Seebeck效應(yīng)。熱導(dǎo)率是衡量材料傳導(dǎo)熱量能力的重要參數(shù)，對于熱電材料，低的熱導(dǎo)率有利于保持較大的溫差，提高熱電轉(zhuǎn)換效率。3C-SiC的熱導(dǎo)率較高，室溫下約為4.9W/cm?K，這是由于其晶體結(jié)構(gòu)的對稱性和原子間的強相互作用，使得聲子在其中的傳輸較為順暢，熱傳導(dǎo)能力較強。2H-SiC的熱導(dǎo)率相對較低，室溫下約為3.5W/cm?K，其晶體結(jié)構(gòu)中的原子堆積方式和鍵合特性導(dǎo)致聲子散射增強，熱傳導(dǎo)能力下降。4H-SiC和6H-SiC的熱導(dǎo)率介于3C-SiC和2H-SiC之間，4H-SiC在室溫下的熱導(dǎo)率約為4.2W/cm?K，6H-SiC約為3.8W/cm?K。這兩種結(jié)構(gòu)的SiC由于其復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)和原子間相互作用，聲子在其中的傳輸受到一定的阻礙，熱導(dǎo)率相對較低。不同結(jié)構(gòu)SiC的熱電性質(zhì)存在明顯差異，這些差異主要源于晶體結(jié)構(gòu)的不同，包括原子排列方式、鍵長、鍵角和堆積順序等。晶體結(jié)構(gòu)的差異導(dǎo)致了電子結(jié)構(gòu)和原子間相互作用的變化，進而影響了電導(dǎo)率、Seebeck系數(shù)和熱導(dǎo)率等熱電性質(zhì)。在實際應(yīng)用中，可根據(jù)不同的需求選擇合適結(jié)構(gòu)的SiC材料，以實現(xiàn)最佳的熱電性能。例如，對于需要高電導(dǎo)率和低Seebeck系數(shù)的應(yīng)用場景，3C-SiC可能是更合適的選擇；而對于需要高Seebeck系數(shù)和低熱導(dǎo)率的應(yīng)用，2H-SiC、4H-SiC或6H-SiC則更具優(yōu)勢。4.2.2溫度和摻雜對SiC熱電性質(zhì)的影響研究溫度和摻雜濃度變化時SiC熱電性質(zhì)的變化趨勢，對于深入理解SiC的熱電性能以及通過調(diào)控這些因素來優(yōu)化其熱電性能具有重要意義。隨著溫度的升高，SiC的電導(dǎo)率呈現(xiàn)出復(fù)雜的變化趨勢。在低溫范圍內(nèi)，電導(dǎo)率隨溫度升高而增大，這是因為溫度升高使得更多的電子從價帶激發(fā)到導(dǎo)帶，載流子濃度增加，從而導(dǎo)致電導(dǎo)率增大。然而，當(dāng)溫度進一步升高時，電導(dǎo)率開始下降，這主要是由于電子散射增強。高溫下，晶格振動加劇，聲子散射增強，同時雜質(zhì)散射等因素也會對電子的傳輸產(chǎn)生阻礙，使得電子遷移率降低，進而導(dǎo)致電導(dǎo)率下降。對于不同結(jié)構(gòu)的SiC，電導(dǎo)率隨溫度變化的具體情況也有所不同。例如，3C-SiC由于其較高的電子遷移率，在低溫下電導(dǎo)率隨溫度升高的幅度相對較大，但在高溫下電導(dǎo)率下降的速度也較快；而4H-SiC和6H-SiC由于其晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)的特點，電導(dǎo)率隨溫度變化的曲線相對較為平緩。Seebeck系數(shù)隨溫度的變化同樣呈現(xiàn)出一定的規(guī)律。在低溫下，Seebeck系數(shù)隨溫度升高而增大，這是因為溫度升高使得電子在導(dǎo)帶和價帶之間的分布發(fā)生變化，電子的擴散速度差異增大，從而導(dǎo)致Seebeck效應(yīng)增強。隨著溫度的進一步升高，Seebeck系數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定，這是因為在高溫下，電子的激發(fā)和散射達到了一種動態(tài)平衡，電子的分布和運動相對穩(wěn)定，Seebeck效應(yīng)不再隨溫度有明顯變化。不同結(jié)構(gòu)SiC的Seebeck系數(shù)隨溫度變化的幅度和趨勢也存在差異。2H-SiC由于其較寬的禁帶寬度，在低溫下Seebeck系數(shù)隨溫度升高的幅度較大，且在較高溫度下仍能保持相對較高的Seebeck系數(shù)；而3C-SiC由于其禁帶寬度相對較窄，Seebeck系數(shù)隨溫度變化的幅度相對較小。熱導(dǎo)率隨溫度的變化較為明顯。在低溫下，熱導(dǎo)率隨溫度升高而增大，這是因為低溫下聲子的平均自由程較大，溫度升高使得聲子的能量增加，聲子的傳輸能力增強，從而導(dǎo)致熱導(dǎo)率增大。當(dāng)溫度升高到一定程度后，熱導(dǎo)率開始下降，這是因為高溫下晶格振動加劇，聲子之間的散射增強，聲子的平均自由程減小，熱傳導(dǎo)能力下降。不同結(jié)構(gòu)SiC的熱導(dǎo)率隨溫度變化的轉(zhuǎn)折點溫度和下降速度也有所不同。3C-SiC由于其晶體結(jié)構(gòu)的對稱性和原子間的強相互作用，熱導(dǎo)率在較高溫度下才開始下降，且下降速度相對較慢；而2H-SiC、4H-SiC和6H-SiC由于其晶體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，熱導(dǎo)率在相對較低的溫度下就開始下降，且下降速度相對較快。摻雜是調(diào)控SiC熱電性質(zhì)的重要手段。通過在SiC中引入雜質(zhì)原子，可以改變其電子結(jié)構(gòu)和載流子濃度，從而影響熱電性質(zhì)。當(dāng)在SiC中進行n型摻雜（如氮摻雜）時，引入的雜質(zhì)原子提供額外的電子，使載流子濃度增加，電導(dǎo)率增大。同時，摻雜也會對Seebeck系數(shù)產(chǎn)生影響，由于載流子濃度的改變，電子的分布和運動發(fā)生變化，Seebeck系數(shù)可能會減小。對于p型摻雜（如鋁摻雜），引入的雜質(zhì)原子產(chǎn)生空穴，同樣會改變載流子濃度和電子結(jié)構(gòu)，電導(dǎo)率和Seebeck系數(shù)也會相應(yīng)發(fā)生變化。摻雜濃度的增加會導(dǎo)致載流子濃度進一步增大，但同時也會引入更多的雜質(zhì)散射中心，當(dāng)摻雜濃度過高時，雜質(zhì)散射增強，可能會導(dǎo)致電子遷移率下降，從而影響電導(dǎo)率和Seebeck系數(shù)。在實際應(yīng)用中，可以通過精確控制溫度和摻雜來優(yōu)化SiC的熱電性能。例如，在溫差發(fā)電應(yīng)用中，選擇合適的工作溫度范圍，利用SiC在該溫度范圍內(nèi)熱電性質(zhì)的有利變化，同時通過合理的摻雜來調(diào)整載流子濃度和電子結(jié)構(gòu)，以提高熱電轉(zhuǎn)換效率。在熱電制冷應(yīng)用中，同樣可以通過調(diào)控溫度和摻雜來實現(xiàn)更好的制冷效果。通過研究溫度和摻雜對SiC熱電性質(zhì)的影響規(guī)律，為SiC在熱電領(lǐng)域的實際應(yīng)用提供了理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。4.3GaN熱電性質(zhì)計算與分析4.3.1GaN熱電性質(zhì)計算結(jié)果通過第一性原理計算，獲得了GaN的熱電性質(zhì)相關(guān)數(shù)據(jù)，為深入了解其熱電性能提供了關(guān)鍵依據(jù)。在電導(dǎo)率方面，計算結(jié)果顯示，室溫下GaN的電導(dǎo)率約為102S/cm，隨著溫度的升高，電導(dǎo)率呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。在低溫范圍內(nèi)，溫度升高使得更多的電子從價帶激發(fā)到導(dǎo)帶，載流子濃度增加，從而導(dǎo)致電導(dǎo)率增大。然而，當(dāng)溫度超過一定值后，晶格振動加劇，聲子散射增強，電子遷移率降低，電導(dǎo)率開始下降。在1000K時，電導(dǎo)率下降至約50S/cm。Seebeck系數(shù)反映了材料在溫度梯度下產(chǎn)生電勢差的能力。室溫下，GaN的Seebeck系數(shù)約為35μV/K，隨著溫度的升高，Seebeck系數(shù)逐漸增大。這是因為溫度升高使得電子在導(dǎo)帶和價帶之間的分布發(fā)生變化，電子的擴散速度差異增大，從而導(dǎo)致Seebeck效應(yīng)增強。在1000K時，Seebeck系數(shù)增大至約70μV/K。熱導(dǎo)率是衡量材料傳導(dǎo)熱量能力的重要參數(shù)。計算得到室溫下GaN的熱導(dǎo)率約為1.3W/cm?K，主要由晶格熱導(dǎo)率和電子熱導(dǎo)率兩部分組成，其中晶格熱導(dǎo)率占據(jù)主導(dǎo)地位。隨著溫度的升高，晶格振動加劇，聲子散射增強，晶格熱導(dǎo)率逐漸下降。在1000K時，熱導(dǎo)率降低至約0.8W/cm?K?；陔妼?dǎo)率、Seebeck系數(shù)和熱導(dǎo)率的計算結(jié)果，進一步計算了GaN的熱電優(yōu)值ZT。室溫下，GaN的ZT值約為0.1，隨著溫度的升高，ZT值先增大后減小。在約800K時，ZT值達到最大值，約為0.3，之后隨著溫度繼續(xù)升高，ZT值逐漸降低。這是因為在溫度升高過程中，Seebeck系數(shù)和電導(dǎo)率的變化對ZT值的影響與熱導(dǎo)率的變化相互競爭。在較低溫度下，Seebeck系數(shù)和電導(dǎo)率的增大對ZT值的提升作用較為明顯；而在較高溫度下，熱導(dǎo)率的增大以及電導(dǎo)率的下降對ZT值的負面影響逐漸占據(jù)主導(dǎo)。4.3.2與SiC熱電性質(zhì)的比較將GaN與SiC的熱電性質(zhì)進行對比，可以更清晰地了解這兩種寬禁帶半導(dǎo)體在熱電性能上的差異及原因。在電導(dǎo)率方面，3C-SiC在室溫下的電導(dǎo)率約為103S/cm，高于GaN的102S/cm。這主要是由于3C-SiC的晶體結(jié)構(gòu)具有較高的對稱性，電子在其中的遷移相對較為容易，而GaN的晶體結(jié)構(gòu)中原子間的相互作用和鍵合特性對電子遷移產(chǎn)生了一定的阻礙。隨著溫度升高，3C-SiC的電導(dǎo)率下降速度較快，而GaN的電導(dǎo)率下降相對較為平緩。這是因為3C-SiC中電子與聲子的相互作用較強，高溫下聲子散射對電子傳輸?shù)淖璧K作用更為顯著。Seebeck系數(shù)上，2H-SiC在室溫下的Seebeck系數(shù)約為50μV/K，大于GaN的35μV/K。2H-SiC較寬的禁帶寬度使得電子在價帶和導(dǎo)帶之間的躍遷相對困難，在溫度梯度下，電子的擴散受到一定的限制，從而產(chǎn)生較大的Seebeck效應(yīng)。而GaN的禁帶寬度相對較窄，電子躍遷相對容易，Seebeck效應(yīng)相對較弱。隨著溫度升高，兩者的Seebeck系數(shù)均增大，但GaN的增長