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热电材料的第一性原理高通量研究

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资料介绍

热电材料是一种新型能量转换材料,在温差发电或通电制冷等领域具有广泛应用。热电优值ZT值是衡量热电材料能量转换效率的关键参数,ZT值要求热电材料具有优异的电输运性能及较低的热导率。传统第一性原理热电材料研究往往关注少量样本下的电热输运性质理解与优化,很难得到系统性的规律,也不利于新体系的设计优化。材料基因组计划力求通过大数据、高通量手段去加速材料设计与发现,具有广阔的发展前景。在热电材料研究领域,第一性原理高通量计算也将在新材料预测与性能优化等方面起到越来越重要的作用。另一方面,高通量研究也带来了新的挑战,譬如电热输运性质的高通量算法发展、大数据分析手段等等,这些方面的问题决定了高通量方法在材料应用中的效率与准确性。本文综述了热电材料中现有的电热输运性质高通量计算方法,介绍了这些方法具体的应用案例,并对高通量与热电材料结合的未来发展趋势进行了展望。

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第 34 卷第 3 期

2019 年 3 月

无机材料学报

Vol. 34 No. 3

Mar., 2019

Journal of Inorganic Materials

文章编号: 1000-324X(2019)03-0236-11

DOI: 10.15541/jim20180321

热电材料的第一性原理高通量研究

李鑫席丽丽杨炯

(上海大学材料基因组工程研究院, 上海 200444)

摘要: 热电材料是一种新型能量转换材料, 在温差发电或通电制冷等领域具有广泛应用。热电优值 ZT 值是衡量热

电材料能量转换效率的关键参数, ZT 值要求热电材料具有优异的电输运性能及较低的热导率。传统第一性原理热

电材料研究往往关注少量样本下的电热输运性质理解与优化很难得到系统性的规律也不利于新体系的设计优

化。材料基因组计划力求通过大数据、高通量手段去加速材料设计与发现, 具有广阔的发展前景。在热电材料研究

领域, 第一性原理高通量计算也将在新材料预测与性能优化等方面起到越来越重要的作用。另一方面, 高通量研究

也带来了新的挑战, 譬如电热输运性质的高通量算法发展、大数据分析手段等等, 这些方面的问题决定了高通量方

法在材料应用中的效率与准确性。本文综述了热电材料中现有的电热输运性质高通量计算方法, 介绍了这些方法具

体的应用案例, 并对高通量与热电材料结合的未来发展趋势进行了展望。

关

键

词: 高通量; 第一性原理; 热电材料; 电热输运; 综述

中图分类号: N34 文献标识码: A

First Principles High-throughput Research on Thermoelectric Materials: a Review

LI Xin, XI Li-Li, YANG Jiong

(Materials Genome Institute, Shanghai University, Shanghai 200444, China)

Abstract: Thermoelectric materials are a kind of energy conversion materials, which are extensively used in power

generation or refrigeration. The key parameter that measure the performance of thermoelectric materials is the figure

of merit ZT value, which requires material excellent electrical transport performance and low thermal conductivity.

Standard first principles calculations on thermoelectric materials focus on small samples of materials, which is

difficult to conclude general rules and propose new candidates. The Materials Genome Initiative speeds up the

discovery and design of materials based on big data and high-throughput computational methods, which is promising

in novel material screening. In thermoelectrics, first principles high-throughput calculations play an increasingly

important role in the predicting and designing new materials. However, there are some drawbacks in the current

high-throughput efforts for thermoelectric material screening, such as the demand of efficient high-throughput

algorithms for transport properties, suitable tools for analyzing big data, etc. Solving these challenges strongly

determines the efficiency and accuracy of high-throughput applications in thermoelectrics. This review summarizes

several high-throughput theoretical methods and cases study on electrical and thermal transport properties in

thermoelectric materials, and prospects the future trend of the combination of high-throughput and thermoelectric

material research.

Key words: high-throughput; first principles; thermoelectric materials; electrical and thermal transport properties;

review

收稿日期: 2018-07-16; 收到修改稿日期: 2018-10-02

基金项目: 国家重点研发计划(2017YFB0701600); 国家自然科学基金(51572167, 51632005, 11574333, 11674211)

National Key Research and Development Program of China (2017YFB0701600); National Natural Science

Foundation of China (51572167, 51632005, 11574333, 11674211)

作者简介: 李鑫(1993–), 女, 博士研究生. E-mail:

通讯作者: 席丽丽, 副研究员. E-mail: ; 杨炯, 教授. E-mail:

第 3 期

李鑫, 等: 热电材料的第一性原理高通量研究

237

热电材料通过泽贝克(Seebeck)效应和帕尔贴

(Peltier)效应实现热能和电能之间的直接转换^[1-2]

目前国际上比较知名的数据库或者第一性原理

计算平台有

erialsproject.org/)、 Automatic-FLOW for Materials

Discovery(AFLOW: http://www.aflowlib.org/)、Novel

Materials Discovery 的第一性原理计算数据库模块

CompES-x(http://compes-x.nims.go.jp/index_en.html)、

中国科学院 MatCloud(http://matcloud.cnic.cn/)、上海

大学

shu.edu.cn)等。这些数据库或计算平台发展手段不

尽相同, 侧重点也不一样, 各有优势(具体平台介绍

见附录)。通过数据库或计算平台, 可以对大量材料

进行批量数据的生成、解析、性质预测等, 为后续

实验室制备、工业化应用提供充分的前期工作, 加

速新型材料从设计研发到应用的开发过程。

在热电发电和制冷方面具有重要应用。热电技术已

经在工业废热发电利用、空间/深海特殊电源、半导

体芯片降温/控温、高端制冷等领域取得应用, 也可

用于制备微型电源、微区冷却、光通信激光二极管

和红外线传感器的调温系统^[3-7]。以热电材料为核心

的热电发电器件和系统兼具全固态、无运动部件、

无排放、结构简单、体积小、重量轻等诸多优点, 已

成为一种具有广泛应用前景的绿色能源技术。在环

境污染和能源危机日益严重的今天, 开展新型热电

材料的研究具有很重要的现实意义。热电转换效率

低是限制热电材料应用的一个瓶颈, 如何有效提高

热电材料转换效率是热电技术工业应用亟待解决的

难题和热电科学家亟需研究的课题。因此, 理解热

电性能优化的关键因素, 实现热电性能提升, 发现

高性能热电材料新体系尤为关键。

图 1 是第一性原理高通量材料研究的常规研究

示意图, 一般分为基础架构、大数据生成、大数据

分析三步。(1)基础架构需要数据库、计算机集群、

标准高通量流程的构建。数据库里的结构数据是基

础研究样本, 数据库的构建需要大量的计算机集群

资源, 而数据库与集群的管理则需要设计一套标准

高通量流程, 包括数据如何检索、交互、更新和生

成等, 三者的构建完成了第一性原理高通量材料研

究基础。(2)大数据生成主要是基于材料基础数据库

而得到材料性质信息, 这个过程需要应用合适的第

一性原理计算软件、简化的高通量性质算法。基于

第一性原理计算软件设计的简化算法是第一性原理

高通量研究的关键, 如何平衡大数据计算的资源耗

费与计算结果精确度是算法设计的重点。(3)大数据

分析需要机器学习和理论推演等数据分析手段, 以

热电材料的转换效率与热电优值 ZT 值密切相

关, 提高热电材料转换效率的关键在于提高材料的

ZT 值。ZT 值可以写成 ZT=S²σT/κ, 其中 S 是泽贝克

系数, σ 是电导率, S²σ 是功率因子, 是综合衡量材料

电输运性能的参数; κ 是体系的热导率, 包括电子热

导率 κ_e和晶格热导率 κ_L两部分, 是衡量材料热输运

性能的关键参数; T 是绝对温度。通常泽贝克系数的

提高伴随着电导率的降低, 反之亦然。如何协同调

控泽贝克系数与电导率以达到较高的功率因子是实

现热电材料电性能优化的关键, 这需要充分理解热

电材料的电输运机理, 包括电子能带结构和载流子

散射机制。热导率包括载流子和晶格声子的贡献,

载流子热导率与电导率直接相关, 而晶格热导率决

定于声子输运, 与声子色散关系、电子声子耦合及

其声子输运散射机制等关联。所有这些物理特性相

互耦合, 使得发现热电材料的新体系和性能优化极

具挑战性。

在传统的试错研究方法中, 从一种材料的成功

研发到商业应用往往需要几年甚至十年的时间。材

料基因组计划(MGI)是美国 2011 年提出的, 意在缩

短材料研发流程的一项方案, 主要从材料计算手

段、实验手段、数字化数据库建立三个方面发展。

其中, 第一性原理计算从材料的微观角度出发, 只

需要材料的组分结构信息便可以直接获得材料的能

量、电子结构以及与之相关的其它功能性质参数等,

是一种行之有效的材料性能预测手段。MGI 与第一

性原理结合能够有效加速材料的研发, 预测材料的

性质, 创新大数据时代材料科学的研究方法, 材料

数据库与第一性原理计算平台也有了一定的发展。

图 1 第一性原理高通量材料研究示意图

Fig. 1 Schematic diagram of first principles high-throughput

(HT) study on materials

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