SnSe2热电材料的制备及其热电性能研究

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热电材料是利用材料的Seebeck效应与Peltier效应使热能和电能直接相互转换的一类半导体功能材料,具有清洁无污染、可靠性高、寿命长等优点,在解决人类面临的日益严重的能源危机和环境污染问题等方面发挥着重要作用。在过去的几十年里,提高材料的热电性能并开发出高性能的热电材料是热电材料研究的重要目标。然而对于实际应用来说,必须考虑到材料的成本及其对环境的影响。传统热电材料Bi2Te3、PbTe、GeTe等虽然性能优异,但是原材料价格昂贵,或含有重金属有毒元素,从而限制了其大规模应用。因此,开发新型、环境友好且价格低廉的高性能热电材料是热电转换技术获得规模化应用所面临的重要课题。  Sn-Se基热电材料价格低廉、环境友好,近年来受到了广泛的关注,尤其是SnSe热电材料。而SnSe2作为一种宽禁带半导体(Eg=1.04eV),与SnSe具有相同的元素组成,且理论计算表明n型SnSe2单晶沿b轴方向在773K时可获得最大ZT值2.95,因此SnSe2也是一种极具潜力的高性能热电材料。但是目前SnSe2化合物单相制备较难,且在热电性能方面的报道较少,关于其热电性能优化方面缺乏系统的研究。因此本文以SnSe2热电材料为研究对象,从SnSe2单相制备工艺的探索、类单晶与多晶SnSe2热电性能的优化展开了一系列研究,其主要目的是通过成分和微结构调控,全面优化材料的热电性能。本论文的研究内容及实验结果如下:  (1)探索制备工艺对SnSe2物相以及微结构的影响。研究了一步PAS烧结工艺、熔融-缓冷、熔融-淬火以及退火对SnSe2+x相组成以及微结构的影响规律,研发发现采用传统物理法无法合成单相SnSe2,所得产物中均存在SnSe第二相。为获得纯相SnSe2材料,本研究尝试采用区熔工艺来制备SnSe2材料,研究发现选取合适的区熔工艺可以得到较好的SnSe2单相,且区熔工艺可制备出较好的SnSe2类单晶材料。  (2)采用区熔法制备类单晶SnSe2,研究发现本征SnSe2呈n型,因其极低的载流子浓度导致电导率非常低。研究发现采用Cl元素掺杂替代Se位可使材料的载流子浓度提高1~2个数量级,使其电导率大幅提高,最终SnSe1.97Cl0.03材料沿平行于区熔方向ZT值在773K时由0.1提高到0.4。但是区熔样品为类单晶材料,其结构与单晶类似,样品易沿着SnSe2晶体的ab面解理,严重影响样品的加工与表征。为提高SnSe2材料的力学性能,后面尝试采用熔融结合PAS方法制备SnSe2多晶材料。  (3)采用熔融淬火方法制备了具有原位纳米尺度SnSe均匀分布的SnSe2/SnSe复合材料,研究了Cl掺杂对材料中SnSe2/SnSe异质结结构的影响及其对材料电热传输性能的影响规律。研究发现随着Cl元素的掺入,显著提高了材料的载流子浓度,并且SnSe与SnSe2形成的两相界面空间电荷区由原来的p-n结变为n-n结,使得材料的载流子浓度与迁移率同时优化,电导率因此大幅提高。另外,由于Cl掺杂引起的点缺陷以及SnSe纳米第二相与SnSe2基体形成的界面对声子的强烈散射,使得材料的热导率进一步降低。掺杂后载流子浓度、迁移率以及热导率的同时优化使得SnSe2的ZT值显著提高,样品6%Cl-SnSe2/SnSe沿平行于烧结压力方向在773K时获得最大ZT值0.56,较未掺杂样品提高了6倍。本研究为通过界面调控优化材料的热电性能提供了一条新的思路和解决途径。
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