การศึกษาเชิงทฤษฎีของสมบัติทางเทอร์มออิเล็กทริกของวัสดุเทอร์มออิเล็กทริก

งานวิจัยชิ้นนี้ผู้วิจัยได้ศึกษาสมบัติทางเทอร์มออิเล็กทริกของสาร 4 ชนิด ประกอบด้วย SrTiO3 SnO2 BaSi2 และ BaGe2 โดยใช้ทฤษีฟังก์ชันของความหนาแน่นและทฤษฎีการขนส่งของโบลซ์มานน์ ผลการคำนวณโครงสร้างพลังงานแสดงให้เห็นว่า สารทั้ง 4 ชนิดมีสมบัติเป็นสารกึ่งตัวนำ ผลของช่องว่างพลังงานที่ได้จากการคำนวณมีค่าน้อยกว่าผลจากการทดลอง แต่มีความสอดคล้องกับผลการคำนวณจากงานวิจัยอื่น ๆ เป็นอย่างดี ผลของอิเล็กตรอนในแต่ลออบิทัลต่อโครงสร้างพลังงาน โดยวิเคราะห์ผ่านความหนาแน่นของสถานะแสดงให้เห็นว่า กรณีของ SrTiO3 แถบวาเลนซ์ และแถบการนำมาจากผลของอิเล็กตรอนในสถานะ Ti 3d และ O 2p เป็นหลัก กรณีของ SnO2 แถบวาเลนซ์มาจากผลของอิเล็กตรอนในสถานะ O 2P เป็นหลัก ส่วนแถบการนำมาจากผลของอิเล็กตรอนในสถานะ Sn 5s 5p และ O 2p และกรณีของ BaSi2 และ BaGe2 ส่วนบนของแถบวาเลนซ์มาจากผลของอิเล็กตรอนในสถานะ Ba 5d และ Si 3p ของ BaSi2 หรือ Ge 4p ของ BaGe2 ในขณะที่แถบการนำมาจากผลของอิเล็กตรอนในสถานะ Ba 5d เป็นหลักและมีผลจากอิเล็กตรอนในสถานะ Si 3s และ 3p ของ BaSi2 หรือ สถานะ Ge 4s และ 4p ของ BaGe2 ในขณะที่แถบการนำมาจากผลของอิเล็กตรอนในสถานะ Ba 5d เป็นหลักและมีผลจากอิเล็กตรอนในสถานะ Si 3s และ 3p ของ BaSi2 หรือ สถานะ Ge 4s และ 4p ของ BaGe2 อีกเล็กน้อย พันธะระหว่างอะตอมในแต่ละโครงสร้างโดยวิเคราะห์ผ่านความหนาแน่นของอิเล็กตรอนแสดงให้เห็นว่ากรณีของ SrTiO3 พันธะระหว่าง Ti กับ O เป็นพันธะโควาเลนซ์ และพันธะระหว่าง Sr กับ TiO2 เป็นพันธะไอออนิก กรณีของ SnO2 พันธะระหว่าง Sn กับ O เป็นพันธะไออนิก และกรณีของ BaSi2 และ BaGe2 พันธะระหว่างกลุ่ม Si4 และกลุ่ม Ge4 ของ BaGe2 ที่สร้างพันธะในรูปทรงสี่หน้าและพันธะระหว่าง Ba กับกลุ่มของ Si4 และ Ge4 เป็นพันธะโควาเลนซ์
ผลการคำนวณสมบัติทางเทอร์มออิเล็กทริกแสดงให้เห็นว่า ประสิทธิภาพทางเทอร์มออิเล็กทริกของสารทั้ง 4 ชนิด มีค่าเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น เมื่อพิจารณาที่อุณหภูมิ 1000 K ในกรณีของ SrTiO3 เมื่อมีการเจือให้เป็นสารกึ่งตัวนำชนิดเอ็นและพี จะมีค่า ZT สูงสุดที่ 0.17 และ 0.23 ซึ่งถือว่ามีประสิทธิภาพทางเทอร์มออิเล็กทริกอยู่ในระดับปานกลาง ในกรณีของ SnO2 เมื่อมีการเจือให้เป็นสานกึ่งตัวนำชนิดเอ็นและพี จะให้ค่า ZT สูงสุดที่ 3.51×10-4 และ 1.47×10-3 ในทิศทางตามแนวแกน x ซึ่งถือว่ามีประสิทธิภาพทางเทอร์มออิเล็กทริกอยู่ในระดับที่ต่ำ กรณีของ BaSi2 เมื่อมีการเจือให้เป็นสารกึ่งตัวนำชนิดเอ็นและพี จะให้ค่า ZT สูงสุดที่ 0.81 และ 0.80 ในทิศทางตามแนวแกน y และ x ตามลำดับ และกรณีของ BaGe2 เมื่อมีการเจือให้เป็นสารกึ่งตัวนำชนิดเอ็นและพี จะให้ค่า ZT สูงสุดที่ 0.81 และ 0.81 ในทิศทางตามแนวแกน y และ x ตามลำดับ ผลที่ได้แสดงให้เห็นว่าทั้ง BaSi2 และ BaGe2 มีประสิทธิภาพทางเทอร์มออิเล็กทริกอยู่ในระดับที่สูง โดยเปรียบเทียบได้กับประสิทธิภาพของ Bi2Te3