K2Hg2Se3 ve K2Hg2Te3 malzemelerinin yapısal, elektronik ve termoelektrik özelliklerinin temel ilkeler ile incelenmesi
Investigation of structural, electronic, and thermoelectric properties of K2Hg2Se3 and K2Hg2Te3 compounds from first principles
Yazar: ZÜBEYDE ER
Danışman: DOÇ. DR. TANJU GÜREL
Tekirdağ Namık Kemal Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Fizik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Artan enerji ihtiyacı ile birlikte enerji verimliliğinin arttırılması birçok çalışmanın konusu olmuş ve termoelektrik, enerji verimliliğinin arttırılmasında önemli bir seçenek haline gelmiştir. Termoelektrik, elektrik ile ısı enerjisinin birbirine dönüşümünü inceleyen bilim dalıdır. Termoelektrik malzemeler soğutmada ve atık ısıdan güç üretme uygulamalarında kullanılır. Bir termoelektrik malzemenin performansı, yüksek Seebeck katsayısı ($S$), yüksek elektriksel iletkenlik ($\sigma$) ve düşük termal iletkenliği ($\kappa$) gerektiren boyutsuz termoelektrik değer (ZT) ile belirlenir. 

Yoğunluk fonksiyonel kuramı temelinde yapılan bu çalışmada K$_{2}$Hg$_{2}$Se$_{3}$ ve K$_{2}$Hg$_{2}$Te$_{3} $ malzemelerinin yapısal, elektronik ve termoelektrik özellikleri incelenmiştir. Denge örgü sabitleri, hacim modülü, elektronik band yapıları, kısmi ve toplam durum yoğunlukları genelleştirilmiş gradyan yaklaşımı  ile elde edilmiştir. Termoelektrik katsayılar, yarı-klasik Boltzmann taşınım denklemi çözülerek hesaplanmıştır. Seebeck katsayıları her iki malzemede de genel olarak p-tipi katkılamada n-tipine göre daha yüksek elde edilmiştir. ZT değerleri her iki malzemede de p-tipi katkılamada n-tipi katkılamaya göre daha yüksek çıkmıştır. p-tipi katkılamada elde edilen ZT değerleri K$_2$Hg$_2$Te$_3$ malzemesinde K$_2$Hg$_2$Se$_3$ malzemesine göre daha yüksektir. Yapılmış olan bu çalışmada, deneysel olarak operasyonel sıcaklık olan 500 K sıcaklığında p-tipi ZT=1,49 değeri ile K$_2$Hg$_2$Te$_3$ malzemesinin umut vaadeden bir termoelektrik malzeme adayı olduğu gösterilmiştir.

Anahtar Kelimeler: Ab initio hesaplamalar, yoğunluk fonksiyonel kuramı, termoelektrik özellikler

2019, 57 sayfa

Abstract:
Increasing energy efficiency has been the subject of many studies and thermoelectricity has become an important option in increasing energy efficiency. Thermoelectric is the science that examines the transformation of electric and heat energy. Thermoelectric materials are used in cooling and waste heat power generation applications. The performance of a thermoelectric material is determined by the dimensionless thermoelectric value (ZT), which requires a high Seebeck coefficient ($ S $), high electrical conductivity ($ \sigma $), and low thermal conductivity ($ \kappa $).

In this study based on density functional theory; structural, electronic and thermoelectric properties of K$_2$Hg$_2$Se$_3$ and K$_2$Hg$_2$Te$_3$ materials are investigated. Equilibrium lattice constants, bulk modulus, electronic band structures, partial and total state density of states were obtained by generalized gradient approach. Thermoelectric coefficients are calculated by solving the semi-classical Boltzmann transport equation. The Seebeck coefficients in both materials are found to be larger in p-type doping than the n-type doping. ZT values in both materials are larger in p-type doping to than n-type doping. ZT values obtained in p-type doping are larger for K$_2$Hg$_2$Te$_3$ compared to K$_2$Hg$_2$Se$_3$. In this study, we showed that K$_2$Hg$_2$Te$_3$ with p-type doping has a value of ZT=1.49 at the operational temperature of 500 K, which is a promising thermoelectric material candidate.

Keywords: Ab initio calculations, density functional theory, thermoelectric properties

2019,57 pages