类液态Ag8SnSe6基热电材料的性能优化和机理研究

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热电材料能够实现电能和热能的直接相互转换,具有无噪音、易于小型化和无排放等优点,有望广泛应用于温差发电和制冷领域。推动热电材料大规模应用的关键在于热电性能的提高,本研究聚焦于硫银锗矿化合物Ag8SnSe6的热电性能优化和电热输运机理,主要通过调控自身缺陷、结晶度、异质原子掺杂和引入微纳米结构来优化热电性能,主要内容如下:(1)通过两种不同的湿化学法(冷凝回流法和水热法)合成Ag8SnSe6纳米晶为前驱体,经过管式炉进一步热处理去除可能的含氧基团和氧化物,最后结合热压烧结工艺成功获得多晶Ag8SnSe6块体材料。通过对样品进行XRD分析和热电性能测试,发现采用水热法可获得纯度较高的Ag8SnSe6块体材料,其具有较高性能。因此,后续研究均以水热法制备Ag8SnSe6纳米前驱体。(2)通过引入过量Sn有效调控Ag8SnSe6的自身缺陷与结晶度提高其热电性能。室温霍尔效应测试结果表明过量Sn的引入不仅明显提高载流子浓度,也提高了载流子迁移率。因此,功率因子从Ag8SnSe6的530μW m-1K-2提高到Ag8Sn1.005Se6的758μW m-1K-2(715 K)。另外,引入过量Sn导致的局部结构畸变有效地阻碍了声子的传输,尤其在低温时明显降低了晶格热导率。最终Ag8Sn1.005Se6在715 K时获得的ZT值为1.22,与未掺杂样品相比,提高了34%。(3)进一步制备Ag8SnSe6-xMx(M=Cl或Br)块体材料,探索异质原子掺杂对Ag8SnSe6热电性能的影响规律。研究发现由于Br-的离子半径与Se2-更接近,相比于Cl掺杂,Br掺杂样品的载流子浓度明显提高,且在Br掺杂样品中观察到了明显的晶界、位错等,这些缺陷可以作为散射中心增强声子的散射,降低晶格热导率,显著提高ZT值,其中4%Ag Br掺杂样品在736 K获得最高的ZT值,约为1.52,与未掺杂样品相比,提高了39%,可以与许多典型的热电材料相媲美。另外,3%Sn Br2掺杂样品也获得较高ZTavg值,为0.89。本研究表明本征缺陷调控和异质原子掺杂对Ag8SnSe6基热电材料的热电性能优化具有重要的作用,并可能为改善其他硫银锗矿化合物的热电性能提供指导。
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