具有抛物线型与布丁模具型能带结构的半导体材料的热电性质

我们通过改变能量色散关系中多项式的次数，从理论上研究了半导体（带隙）材料的热电性质，其中价带或导带能量色散依赖于波矢的二次、四次和六次幂。热电输运系数（如塞贝克系数、电导率和热导率）在线性化玻尔兹曼输运理论结合弛豫时间近似下计算。我们考虑了带隙、维度性和色散幂次等各种效应，以理解能够获得最优热电效率或品质因数（$ZT$）的条件。我们的计算表明，所谓的布丁模具型能带结构比抛物线型能带产生更大的电导率和热导率，但布丁模具型与抛物线型能带的塞贝克系数没有显著差异。此外，我们发现通过同时将材料的带隙调节到最优值并打破能带对称性，可以获得高 $ZT$。最大的 $ZT$ 出现在价带和导带色散关系中两种对比多项式幂次的组合中。这种能带不对称性还将电荷中性从未掺杂能级移开，并使最优 $ZT$ 位于更小的化学势处。在热导率参数的一些合理取值下，块体系统的最大 $ZT$ 可大于 1，而一维系统甚至可接近 4。我们期望这项工作能引发结合半导体能量色散关系中各种多项式幂次来筛选潜在热电材料的高通量计算。