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热电发电是利用半导体材料的塞贝克效应将热能和电能进行直接转换的技术。热电转换效率主要取决于材料的无量纲性能指数ZT=S2σT/K。高性能热电半导体材料要求具有良好的电传输性能和低的热导率。TiCoSb half-Heusler化合物具有大的Seebeck系数和较大的电导率，是一种极具发展潜力的新型热电材料。但晶格热导率与传统的热电材料(如Bi2Te3)相比还较高。如何降低热导率是进一步提高该体系材料热电性能的关键。本工作系统研究了TiCoSb基half-Heusler化合物的制备，以及n型、p型掺杂和等电子合金对TiCoSb化合物中高温热电性能的影响，并用“简单现象模型”分析了缺陷声子散射对降低晶格热导率的作用。通过原位反应引入纳米TiO2粒子，形成TiCo1xFexSb/TiO2复合材料，详细研究了TiO2纳米粒子对热导率的影响。制备了新的half-Heusler化合物ZrCoSb和ZrCoBi，并研究了它们的高温热电性能。
合成了单一物相的TiCoSb half-Heusler化合物，用放电等离子烧结技术(SPS)制备了致密的块体材料，用XRD和EPMA表征了化合物的物相和化学成分，测试了TiCoSb化合物的载流子浓度、电阻率、Seebeck系数和热导率。结果表明，载流子浓度在_1.8x1018cm-3数量级，电阻率在1x10-4Ωm数量级，Seebeck系数为负值，最大值是-270μV/K，热导率较高，室温热导率约15W/mK，主要是晶格热导率。
我们在Sb位进行n型和p型掺杂，得到了TiCoSb1-xTex和TiCoSb1-xGex材料。对于TiCoSb1-xTex，搀杂原子Te比基体原子Sb的价电子数多，随着掺杂量的增加，化合物载流子浓度提高，电阻率降低，相应的Seebeck系数的绝对值也减小，功率因子提高，显著优化了材料的电传输性能：热电优值得到了提高，最大ZT值在850K达0.13左右。对于TiCoSb1-xGex，掺杂原子Ge比基体原子Sb的价电子数少，提供了空穴，化合物由n型传导转变为p型传导，Seebeck系数由负变正。由于掺杂原子与基体原子之间的尺寸和质量差异引起的应力场涨落和质量涨落散射作用，化合物的热导率大幅地降低，使得ZT值得到了很大的提高。
合成了TiCoSb基等电子合金与复合等电子合金。因为Zr原子与Sb原子少量错位使能带发生改变，导致了Ti0.5Zr0.5CoSb等电子合金电阻率和塞贝克系数绝对值下降。同时由于质量涨落和应力场涨落的作用，Ti0.5Zr0.5CoSb等电子合金的热导率与TiCoSb相比降低了约60％，其中以应力场涨落占优。进一步通过Ni，Pd和Sn掺杂，大大提高了Ti0.5Zr0.5CoSb的功率因子，ZT值也随之提高，最大ZT值在850K时为0.46(Ti0.5Zr0.5Co0.92Ni0.08Sb)。Ti0.3(Zr0.5Hf0.5)0.7CoSb和Ti0.5Zr0.5Co0.5Rh0.5Sb双重等电子合金的热导率要低于Ti0.5Zr0.5CoSb，但是掺杂Ni后，与Ti0.5Zr0.5CoSb化合物相比，Ti0.3(Zr0.5Hf0.5)0.7Co1-xNixSb和Ti0.5Zr0.5(Co0.5Rh0.5)1-xNixSb的功率因子提高不明显，(Ti0.3(Zr0.5Hf0.5)0.7Co0.95Ni0.05Sb)的最大ZT值为0.45。
用原位反应法合成了TiCo1-xFexSb/TiO2复合材料，研究了纳米复合对材料热导率的影响。通过各种分析手段以及文献资料对比，确定了TiO2纳米粒子是造成热导率下降的主要原因。TiO2纳米粒子均匀地分布在材料中，成为散射中心，强烈地散射声子，极大地降低了材料在整个温区内的晶格热导率，晶格热导率的降低幅度随Fe掺杂量的增加而增加。TiCo0.5Fe0.5Sb/TiO2的晶格热导率在室温时不到SW/mK。纳米复合大大增强了材料的热电性能，TiCo0.85Fe0.15Sb/TiO2的最大ZT值在850K达到了0.45，这是所有p型half-Heusler化合物中的最大值。
本论文还尝试合成了新的half-Heusler化合物ZrCoSb和ZrCoBi，希望得到拥有较低热导率的half-Heusler化合物。研究表明，它们都具有较高的电阻率和较低的塞贝克系数。通过在Co位掺杂Ni后，它们的功率因子得到了很大提高，最大值为23μW/cmK2(ZrCo0.95Ni0.05Bi)，超过TiCoSb体系中的最大值。通过掺杂，它们的热导率同样得到了降低。