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GaN基半导体材料热电性质的第一性原理计算与研究的开题报告
一、研究背景
GaN是一种III-V族化合物半导体材料，由于其在宽带隙、高电子迁移率、高饱和电子迁移速度等方面具有显著的优势，广泛应用于功率、射频以及光电器件等领域，例如高功率电力电子器件、无线通信设备、亮度高的固态照明和激光器。在这些应用领域中，热电性质是GaN材料的一个重要性质。
热电材料是具有热导率、电导率和Seebeck系数的半导体材料，当它们被置于温差电压下时，它们将产生电势差，这被称为Seebeck效应。这种效应在热电发电、温度监测和热电制冷等领域中具有广泛的应用。因此，理解和优化GaN材料的热电性质对其在这些应用领域的应用非常重要。
第一原理计算是一种针对一定数量的原子基对态密度构造基本交换相关函数的理论计算方法。近年来，第一原理计算在材料科学、物理学和化学等各个领域的发展已经取得了许多成果。在研究半导体材料的电子和物理性质方面，第一原理计算已经变成了非常有用的工具。因此，理论计算在研究热电材料方面也具有很重要的意义。通过第一原理计算，我们可以考虑材料中原子和空隙的大小和位置，以了解热电性质如何受到影响。
二、研究目的
本研究旨在使用第一原理计算方法研究GaN基半导体材料的热电性质，主要包括电导率、热导率和Seebeck系数。通过研究热电性质，我们将了解GaN材料中自由电子的运动，以及它们在温度差下是如何移动的。同时，我们将考虑不同的构造和材料处理对材料热电性质的影响，以优化材料的性能。
三、研究方法和步骤
1.第一原理计算
(1)此研究将使用基于密度泛函理论的第一原理计算方法，以VASP软件为计算平台进行。对于此计算方法，我们将使用投影缩并波函数(PAW)近似描述原子核和电子的交互作用，以得到电子结构和热力学性质。
(2)我们将使用晶体结构代码(CASTEP)和第一性原理程序GPAW进行密度泛函理论计算，以研究不同宏观结构和微观结构对热电性质的影响。用DynamicalMatrixMethod(DMM)计算晶格振动，在依据物理学原理得到其热导率。
(3)我们将使用第一性原理计算得到的电子结构来推导热导率方程，并结合得到的声子谱，通过Boltzmann输运方程计算热导率。
(4)我们将通过计算得到热电系数(S)对温度和能量的依赖关系，并且评估材料热电性能的可行性。
2.实验方法
我们将利用已有的热电测量系统测量样品的热电性质，以检验数值模拟和计算结果的准确性。同时，我们也将制备样品采用不同的制备技术，包括分子束外延(MBE)以及低压气相沉积法制备，以比较制备技术对热电性能的影响。
四、预期结果
本研究将利用第一原理计算方法和实验组合的手段研究GaN基半导体材料的热电性质，为理解材料电子结构和性能试图寻找新的能源材料提供指导。我们预期能够得到以下结果。
1.通过第一原理计算和实验方法，我们将得到GaN材料的热电性质数据，包括电导率、热导率和Seebeck系数等。
2.我们将研究GaN基半导体材料组成和结构变化的影响，以了解不同微观结构和宏观结构对热电性质的影响。
3.我们将评估样品制备技术对热电性质的影响，并提供了例如分子束外延(MBE)和低压气相沉积法制备技术的比较。
4.我们将研究在不同温度下GaN材料的热电性质是否稳定，并研究该材料的热电性能是否足以使其成为热电器件的潜在材料。
五、研究意义
通过研究GaN基半导体材料的热电性质，我们将了解材料中自由电子和热子携带能量的运动方式和特性，从而优化材料的性能，为其在热电设备领域的应用提供支持。同时，我们也将通过该研究工作，拓展材料科学中的科学知识和技术，并实现材料板块的持续发展。