摘 要

填充型方钴矿化合物，是一类研究者们十分感兴趣的新型中温热电材料，在热电发电的方面具有潜在的应用。在方钴矿中引入部分填充的杂质原子，通过声子散射而显著降低晶格热导率，从而优化电运输性能，因此原子填充在文献中被广泛研究。然而，原子填充对锑化钴晶体力学行为的影响到目前为止来说还不是很清楚。在本论文的研究中，我们使用分子动力学模拟方法研究钡填充效应对锑化钴晶体的单轴拉伸和压缩力学行为的影响。首先，根据理想的晶格结构，我们构造了钡完全填充锑化钴的模型；与此同时，纯二元锑化钴晶体模型也被建立；接着，模拟模型达到弛豫状态从而达到设定的条件。此后，在室温下分别进行有应变控制的单轴拉伸和压缩实验，在整个变形过程中得到应力应变曲线。同时也研究了原子重排和失效模式，通过比较已填充和未填充的锑化钴热电材料，分析他们各自的力学效应。研究结果对方钴矿的应用十分的有利，不仅可以提高填充方钴矿热电材料的热电性能，而且对进一步设计新热电材料具有指导性意义。

关键词：填充方钴矿;力学性能;分子动力学;锑化钴。

Abstract

The filled skutterudites, which possess application potential, are believed to be one class of novel thermoelectric materials. The contribution of atomic filling to the significant decrease of phonon conductivity is investigated extensively in the literature. However, filling effect on the fundamental mechanical behavior is not very clear so far. In the present study, molecular dynamics simulations have been performed to investigate the effect of Ba-filling on the uniaxial tensile and compressive mechanical properties of crystalline CoSb3 with a multibody interatomic potential. First, we construct the fully Ba-filled CoSb3 model according to the ideal lattice structure. For comparison, pure binary CoSb3 is also modeled. Then, the simulation models are relaxed to reach more favorable configurations. Thereafter, the uniaxial tension and compression are carried out by strain-controlling until failure at room temperature, respectively. The stress-strain curves are obtained during the whole deformation process. The atomic rearrangements and failure patterns are also examined. The comparison of these mechanical responses between the filled and unfilled CoSb3 is made and analyzed. The results are expected to be helpful for the application of high-performance skutterudites.

Key Words：filled skutterudites; mechanical properties; molecular dynamics;CoSb3.

目 录

第1章 绪论 6

1.1 新型热电材料的研究进展 6

1.2 分子动力学模拟方法 7

1.3 填充方钴矿类热电材料 8

1.4本文的主要研究目标和内容 9

第2章 模型及模拟方法 10

2.1 Materials studio的简介以及应用 10

2.2 Lammps的简单介绍 13

第3章 进行恒温下填充CoSb3的单轴拉伸模拟 16

3.1 对晶体应力应变的分析 16

3.2 对晶体失效模式的原子排列的分析 19

第4章 进行恒温下填充CoSb3的单轴压缩模拟 21

4.1对晶体应力应变的分析 21

4.2对晶体失效模式的原子排列的分析 22

第5章 结论 24

参考文献 25

第1章 绪论

1.1 新型热电材料的研究进展

众所周知，时代和经济都在不断的发展，能源的使用和需求都相应的提高，然而各种能源的过度使用使得能源危机成为主要的社会问题。热电转换技术是利用一定的技术手段，通过电能和热能之间相互转换从而实现热电发电和热电制冷，能源短缺的出现导致这种利用余热和废热发电的技术得到了研究人员的高度重视。同时这种技术具有无污染，噪音小等各种优点，是制冷技术的一个重大考虑。但是热电材料发电工业应用的局限为热转换效率低，因此提高热电材料的热电性能或者寻找高性能的热电材料是研究人员关注的重点。热电性能优化的关键问题为提高热电材料的热电优值，近年来一些纳米结构和超晶格材料得到了人们的关注。但是填充方钴矿化合物作为中温段性能最好的热电材料之一，成为研究人员研究的重点。

二元方钴矿化合物为体心立方晶体结构，它的空间点阵群是Im-3，每个单细胞中有32个原子，同时还存在2个较大的空隙，二元方钴矿化合物是窄带隙半导体，其带隙只有几百毫电子伏，这种化合物也具有较高的载流子迁移率和中等大小的seebeck系数，此类化合物外来原子可以插入晶体结构的空隙中，从而降低晶格的热导率。方钴矿热电材料在实际应用中，在空隙中常通过插入稀土元素来提高其热电性能，在锑化钴空隙中填充进La，实行部分填充而非全部填充，使其在空隙中作随机分布，这种填充比全部填充时热导率更低。到目前为止提高方钴矿热电材料的途径有两条，引入额外的声子散射降低晶格的热导率和各种掺杂调节电学性能。

热电材料只有在一定的使用温度范围内才具有很好的热电效应，换句话来说，由于热电材料的进行是在一定的温差条件下，因此在热电材料的选择和研究上需要考虑到温度这一块的选择，就必须按照性能指数曲线所显示的温度区域选择适当的材料。在不同的温度下，热电材料具有不同的最佳载流子浓度值，因此控制载流子的浓度可以使材料在不同的温度下都具有非常好的载流子浓度，这样就能解决环境对材料使用的局限性。利用梯度化技术可以把不同材料不同温度下的最佳使用复合成为一种新的复合材料，从而使材料在不同温度下都具有最高的热电转换效率，但是由于各个单层材料需要插入过度层来减少热导率的升高和电导率的下降，因此制备技术的局限性成为研究梯度材料的关键。