Zásadní studie optických, termoelektrických a elektronických vlastností komplexníxh materiálů

Mgr. Sikander AZAM

Disertační práce

First Principle Studies of Optical, Thermoelectric and Electronic Characteristics of Complex Materials

Anotace:

Pokrok v optické telekomunikaci a v optických výpočetních zařízeních zvýšil poptávku po materiálech s vyššími optickými koeficienty. Za tímto účelem bylo navrženo několik materiálů s vhodnými optickými vlastnostmi. Na základě nedávných studií byla pro vývoj těchto materiálů navržena skupina kvaternárních chalkogenidů. Široká variabilita ve složení i ve struktuře umožňuje ladit optické vlastnosti těchto chalkogenních sloučenin. Skupina kvaternárních chalkogenidů byla sledována pro jejich rozsáhlé možnosti v technologických aplikacích, jako například ve fotovoltaice, optoelektronických aplikacích, termoelektrických aplikacích, v lékařství atd. Velké pozornosti se těmto materiálům dostalo během několika posledních let, zejména kvůli jejich vylepšeným termoelektrickým a optoelektronickým vlastnostem. Většina výzkumu se týkala syntetizování sloučenin a studia jejich termoelektrických vlastností. Teoretické studie jsou pro vývoj nových materiálů a zařízení pro různé průmyslové aplikace považovány za zásadní. Metody vycházející z prvních principů umožňují vyjít z databáze krystalových struktur a pomocí počítačových programů předpovědět vlastnosti a porozumět jim i v případě, že experimentální data nejsou k dispozici. Z toho důvodu jsme se zaměřili na studium kvaternárních chalkogenidů obsahujících síru (S), selen (Se), telur (Te) pomocí metod vycházejících z prvních principů. Teoretické výpočty mohou být nejlepším způsobem jak získat vhled do molekulárních vlastností. Hlavním cílem předkládané práce je studium elektronové struktury a optických a termoelektrických vlastností třídy kvaternárních chalkogenních sloučenin. V této práci jsou prezentovány rozsáhlé výpočty elektronové struktury a optických vlastností uskutečněné v rámci teorie funkcionálu hustoty (DFT), která byla již mnohokrát úspěšně použita pro pevné látky. Pro výpočty elektronových struktur, teplotních vlastností a lineárních optických vlastností různých kvaternárních chalkogenních sloučenin jsme využili linearizovanou metodu přidružených vln pro úplný potenciál (full-potential linear augmented plane wave, FP-LAPW) implementovanou programem WIEN2k. Získané výsledky ohledně struktury a elektronové struktury pak byly použity pro studium termoelektrických vlastností (elektrické a teplotní vodivosti, Seebeckova koeficientu, koecifientu termoelektrické účinnosti, výkonnostního faktoru) pomocí Boltzmanovy transportní rovnice v aproximaci konstantní relaxační doby.

Abstract:

Advancement in optical telecommunications and optical computing devices has increased the demand for materials with greater optical coefficients. For that reason, several materials with suitable optical properties have been designed, some of which are based on the family of quaternary chalcogenide compounds. Their flexibility in varying composition as well as structure allows tuning their optical properties. Quaternary chalcogenide compounds have gained popularity due to suitability for a wide range of technological applications, such as photovoltaic, optoelectronic, thermoelectric, medical, etc. Recently, these materials have been utilized more extensively owing to their improved thermoelectric and optoelectronic properties. Most of the extant work has been performed in synthesizing the compounds and studying their thermoelectric properties. Theoretical studies are considered fundamental in the evolution of novel materials and devices for various industrial applications. Applying the first principles method, it is now possible to access a database of crystal structures and use computer software to predict and understand material properties when experimental measurements are absent. The same approach was adopted in this work to study the structural, electronic, optical and thermoelectric properties of materials based on sulfur (S), selenium (Se), and tellurium (Te), i.e., the quaternary chalcogenide compounds. Theoretical calculations allow gaining better insight into molecular properties of these materials. The main aim of the present work is better understanding of the electronic structure, as well as optical and thermoelectric properties, of the aforementioned class of quaternary chalcogenide compounds. In this thesis, the electronic structure and optical properties calculations are extensively studied by applying Density functional theory (DFT), which can successfully reveal different properties of many condensed matter systems. In addition, the full potential linear augmented plane wave (FP-LAPW) method, as incorporated in the WIEN2K code, is applied, to study the electronic structure, thermal properties and linear optical properties of some quaternary chalcogenide compounds. Using the investigated structure, the thermoelectric properties (electrical and thermal conductivity, Seebeck coefficient, Figure of merit and power factor) are described, along with the development of Boltzmann transport equation with constant relaxation time approximation.

Klíčová slova

Elektronová struktura, Optické vlastnosti, Termoelektrické vlastnosti, FPLAPW metoda, DFT

Jazyk práce: čeština

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 22. 3. 2016

Zveřejnit od: 31. 12. 2999

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 13. 5. 2016

ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI

Fakulta strojní

Doktorský studijní program / obor:
Strojní inženýrství / Materiálové inženýrství a strojírenská metalurgie