Mg3Sb2基热电材料近室温载流子散射机制研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:sallen009
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由于n型Mg3Sb2基热电材料的优异热电性能,该材料在低温制冷以及中温发电应用领域具有巨大潜力,因此备受热电领域内研究者的广泛关注。n型Mg3Sb2基热电材料在近室温区的载流子迁移率具有与温度正相关的热激活特征,但对该特征背后的散射机制目前仍存在争议。因此本文从输运模型分析、微观结构表征以及化学成分调控三个方面对Mg3Sb2基热电材料的近室温载流子散射机制进行了全面系统的研究,揭示了点缺陷是Mg3Sb2基材料中载流子在室温附近发生散射的重要来源。实验结果表明通过提高材料烧结温度使晶粒长大确实可以减弱甚至消除Mg3Sb2材料中出现的热激活现象。而通过掺杂化学元素Co同样可以抑制该热激活现象,两种截然不同的方式对散射机制的调控足以表明近室温散射机制的复杂性。本文建立了载流子输运模型,并使用该模型分析了高温区和近室温区载流子输运对应的机制。高温区(温度高于500 K)电子输运符合声学声子散射机制;近室温区电子输运符合强屏蔽的离化杂质散射机制。进一步从微观结构层面分析了热激活迁移率的来源。晶粒尺寸表征结果表明Co掺杂的样品并没有改变晶粒尺寸;成分分析表明Co元素在晶粒内均匀分布;还发现通过增大p型Mg3Sb2材料的晶粒尺寸不能改变室温附近空穴迁移率对温度的依赖趋势,即空穴输运对晶界的响应与电子输运不一致;通过同步辐射精修的方式确定了Mg3Sb2基材料中存在~8%浓度的弗兰克尔型点缺陷(即Mg空位和Mg间隙原子)。因此认为Mg位点缺陷是造成近室温热激活迁移率的来源,改变材料烧结温度和掺杂Co都有效抑制了这种缺陷对载流子的散射,从而调控了散射机制。通过研究Mg含量和Mg3Bi2/Mg3Sb2合金比例对Mg3Sb2基材料近室温区载流子散射机制的影响发现,n型材料中过量Mg含量形成间隙Mg,对电子输运形成严重的散射;p型材料中Mg含量的缺失形成Mg空位,对空穴输运具有不利影响;Mg3Bi2含量的增加导致近室温散射的热激活现象逐渐减弱甚至消失,这是由于Mg3Bi2的增加引起载流子有效质量的减小,拓宽了载流子的能量分布范围,减弱了点缺陷对载流子的散射。
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