Details

Объект исследования – силицид магния. Цель работы – теоретическое и экспериментальное исследование термоэлектрических свойств Mg₂Si методами квантово-механического моделирования и анализ возможностей оптимизации его характеристик. В работе проведены комплексные расчеты электронной структуры Mg₂Si с использованием функционалов PBE и r2SCAN в пакете Quantum ESPRESSO и VASP, которые позволили приближенно определить ширину запрещенной зоны и особенности зонного спектра. С помощью расчетов в Phonopy был получен фононный спектр. Моделирование транспортных свойств в Perturbo позволило получить зависимости времени релаксации электронов от энергии, а также подвижности и термо-ЭДС от концентрации носителей заряда в диапазоне 1017-2·1020 см-3, что дает возможность проанализировать преобладающие механизмы рассеяния. Новизна работы заключается в использовании функционала r2SCAN для более точного описания электронных свойств, а также в комплексном анализе механизмов рассеяния носителей заряда. Полученные результаты показывают, что Mg₂Si является перспективным материалом для создания термоэлектрических устройств среднетемпературного диапазона. Основные выводы работы могут быть использованы для оптимизации состава и структуры материала путем легирования и наноструктурирования с целью дальнейшего повышения термоэлектрической эффективности.

The object of study - magnesium silicide. The aim of the work is a theoretical and experimental study of the thermoelectric properties of Mg₂Si using quantum mechanical modeling methods and an analysis of the possibilities for optimizing its characteristics. The work presents comprehensive calculations of the electronic structure of Mg₂Si using the PBE and r2SCAN functionals in the Quantum ESPRESSO and VASP packages, which allowed approximate determination of the band gap and features of the band spectrum. The calculations in Phonopy yielded the phonon spectrum. Modeling of transport properties in Perturbo allowed obtaining the dependencies of electron relaxation time on energy, as well as mobility and Seebeck coefficient on charge carrier concentration in the range of 1017-2·1020 cm-3, which makes it possible to analyze the predominant scattering mechanisms. The novelty of the work lies in the use of the r2SCAN functional for a more accurate description of electronic properties, as well as in a comprehensive analysis of charge carrier scattering mechanisms. The results obtained show that Mg₂Si is a promising material for the creation of thermoelectric devices in the medium-temperature range. The main conclusions of the work can be used to optimize the composition and structure of the material by doping and nanostructuring in order to further increase thermoelectric efficiency.