【摘 要】
：
热电（TE）材料能够实现热电之间的直接相互转换,在余热回收和固态制冷等应用中具有巨大的潜力。Mg3Sb2材料具有高性能、制造成本低、无毒性、环保以及优异的低中温热电性能等诸多特点。目前,如何使其在未来拥有明朗的应用前景成为人们首选的热电材料课题,并且越来越受众多学者的关注。本征的Mg3Sb2是一种p型半导体,具有较低的热导率(1-1.5 W m-1K-1),然而其载流子浓度偏低(～1018cm-3
论文部分内容阅读
热电（TE）材料能够实现热电之间的直接相互转换,在余热回收和固态制冷等应用中具有巨大的潜力。Mg3Sb2材料具有高性能、制造成本低、无毒性、环保以及优异的低中温热电性能等诸多特点。目前,如何使其在未来拥有明朗的应用前景成为人们首选的热电材料课题,并且越来越受众多学者的关注。本征的Mg3Sb2是一种p型半导体,具有较低的热导率(1-1.5 W m-1K-1),然而其载流子浓度偏低(～1018cm-3),最高z T值仅为0.4。目前,掺杂被认为是一种有效提高材料载流子浓度以及改善其热电性能的常用方法。在Mg3Sb2基材料中,p型掺杂剂目前尚未探索出高效的掺杂剂,有效的n型掺杂剂对于实现优异的TE性能至关重要。一些基于第一性原理的计算和实验研究表明,阳离子掺杂（Sc、Y、La等）比阴离子掺杂硫族（S、Se、Te等）更为有效,它们将为基体材料提供更高的载流子浓度和更大的可调性。基于此,本论文选取合适的阳离子位Mg位（Y、La）结合阴离子位（Te）掺杂进行探索,调节载流子浓度,提升电性能的同时降低热性能,从而优化热电优值。在本论文中,通过机械合金化法（球磨）结合放电等离子烧结（SPS）技术制备n型Mg3Sb1.5Bi0.5化合物,并且讨论了Y元素掺杂对于n型Mg3Sb1.5Bi0.5基热电材料性能的影响。我们发现在阳离子位点掺杂Y可以有效地优化Mg3Sb1.5Bi0.5基样品的TE性能,在Mg3.21Y0.04Sb1.5Bi0.5中达到最小的电阻率2.09 mΩcm的同时,达到最高PF(16.0μW K-2cm-1)。此外,掺杂造成晶界密集度的增加以及阳离子位置换缺陷浓度的提高均降低了总热导率(0.72 W m-1K-1,750 K)和晶格热导率(0.42 W m-1K-1,750 K)。最后,在750 K时,x=0.04样品的z T峰值为1.6,在300～750 K温度中,平均z T值为1.0。与Sc、Te、Mn等元素的掺杂相比,Y的掺杂效率要高得多,性能优化空间更大些。通常情况下采取Y掺杂手段的样品,并不能满足载流子浓度和Seebeck系数的同时提高,基于此我们选取Y作为一种有效的调节最佳载流子浓度的n型掺杂剂,而La掺杂则能调节能带结构,使与Seebeck系数密切相关的有效质量得到提升和优化。在本工作中,我们以Mg3Sb1.5Bi0.5为例,证实了与Y和La共掺杂的稀土元素可以同时提高其功率因数,抑制导热系数。结果表明,共掺杂后得到了18.3μW K-2cm-1的良好功率因数。同时,由于Y和La引入的额外缺陷散射,在750 K时,晶格热导率显著降低到0.39W m-1K-1。最终,在Mg3.2Y0.04La0.01Sb1.5Bi0.5中,300-750 K范围内的峰值优值（z T）为1.76,平均z T为1.1。双阳离子掺杂产生的协同效应为可控的掺杂剂设计和高效n型TE材料的调制提供了一条新的途径。我们又选用了阴离子位掺杂元素Te进一步调节阳离子位掺杂的Mg3.2Y0.05Sb1.5Bi0.5材料的载流子浓度。载流子浓度从5.02×1019cm-3增加到9.76×1019cm-3,接近理论预测的最佳值,同时功率因子也从10.89μW K-2cm-1提高到15μW K-2cm-1。此外,Te元素进入晶格后,材料的晶格热导率也有了明显的下降,由0.92 W m-1K-1降到0.68 W m-1K-1。载流子浓度最高的样品E在750 K时z T峰值可达1.6,在300-750 K范围内的平均z T值可达1.0。本工作证明阳离子和阴离子位共同掺杂对Mg3Sb1.5Bi0.5载流子浓度提高的效果优于单阳离子或单阴离子位掺杂,该掺杂方法有望应用到其它的热电材料性能的优化中。
其他文献
长余辉发光（Persistent luminescence）是一种特殊的光学现象,在这种现象中,材料可以吸收并储存紫外线（UV）或可见光等外部光照射的能量,在关掉照射光源后,吸收的能量通过发光的方式释放出来,时间从几分钟到几小时不等。作为一种特殊的储能发光材料,它的应用领域十分广泛,目前已应用在建筑装饰、消防指示、信息防伪、生物检测、光学成像等领域。迄今为止,性能较好的长余辉材料大多集中在铝酸盐体
金属卤化物钙钛矿材料具有吸光性能良好、载流子扩散长度和寿命较长等优点,由其制备的新型光电器件,如太阳能电池,光电探测器和发光二极管等发展十分迅速。柔性器件具有轻巧、可弯曲的特性并能集成在任何表面,在各种便携可穿戴设备中的应用潜力巨大。随着现代科学技术的发展,能源、检测、显示等领域对柔性电子的市场需求越来越大,大规模进行柔性可穿戴器件的研发逐步成为电子行业发展的新支点。从2013年首次成功制备效率2
铁氧体因具有较高的效率、成本更低、更均匀、更容易制造等优点而在一些应用场景取代了传统金属。其中,尖晶石铁氧体具有低能量损耗、低矫顽力、高饱和磁化强度、高电阻率和低导电性等特点,而在计算机、音频、视频、数字记录、卫星和通信等存储元件方面得到广泛应用。然而,目前人们所研究的镍锌铁氧体的性能还不足以适应市场的需求,因此,本文将通过在镍锌铁氧体不同位置掺杂金属离子和复合不同的金属氧化物两种方法来进一步提升
可逆固体氧化物电池（RSOCs）是一种全固态的电化学能量转换装置,电池可在固体氧化物电解池（SOEC）和固体氧化物燃料电池（SOFC）两种模式之间交替工作,在环境和能源问题日益严重的今天,RSOCs的研究和开发具有十分重要的意义。本论文以失配层状钴酸钙Ca3Co4O9+δ（CCO）作为RSOCs的氧电极,研究了在CCO电极与YSZ电解质之间添加不同隔离层材料对CCO氧电极的电化学性能、交替极化的稳
近年来工业生产的发展越来越迅速,环境污染等问题也逐渐引起人们的关注,人们开始迫切的需要对室内外环境污染物进行有效地检测。有毒有害气体分子的存在会刺激人们的眼睛和呼吸系统,严重时有致癌的危险,因此,寻找合适的材料来监测和回收这些气体的工作迫在眉睫。现如今传统的气体传感器材料研究由于自身存在的难以解决的问题而导致其发展缓慢,而纳米材料的出现则使得气体传感器的研究得到了进一步的发展,其中的二维纳米材料由
核能技术的快速发展带来了辐射安全隐患，为保护人员的身体健康与周围环境的安全必须采取屏蔽体进行防护。核设施结构的复杂性以及应用场景的多样性对核辐射综合屏蔽材料的性能提出更高的要求，材料不仅要具备优异的中子/γ屏蔽功能，而且还应具有优异的力学性能以作为结构材料使用。本文简述了核辐射综合屏蔽材料的设计要求，并根据国内外屏蔽材料的研究现状，综述了常用的辐射屏蔽材料的研究进展，对比分析金属与非金属材料的屏蔽
近年来,全无机钙钛矿太阳能电池（Perovskite Solar Cells,PSCs）因其优异的光、热稳定性受到广泛关注。但是实现全无机PSCs商业化应用,仍面临一些瓶颈问题,一方面由于全无机钙钛矿结晶质量较差导致相应全无机PSCs的光电转化效率（Power Conversion Efficiency,PCE）较低,另一方面全无机钙钛矿在高湿度环境下易从具有光学活性的黑相变为非钙钛矿的黄相,致使
东莞莞香非遗产业对复兴东莞特色文化有着非常重要的作用。现通过分析复兴莞香非遗产业的市场可行性，对东莞莞香非遗产业创新集群发展路径进行研究，认为当前东莞应该立足于东莞东城区域，结合自身扎实的产业基础，将传统莞香非遗产业升级为现代化、生态型、高科技的产业创新集群，发挥示范带动作用，帮助东莞重塑“莞香祖源、沉香圣地”。
在日常生活中,有害气体威胁着公共健康和安全,所以对有害气体的分离、捕获、封存和转化尤为重要,同时也有必要开发稳定且优异的气体吸附材料。由于传统的气体传感器面临着灵敏度较差以及尺寸较大等问题,这样就激励了人们对高性能、小尺寸的气体传感器的探索,从而人们将目光转向了纳米气体传感器。其中,二维材料由于其大的比表面积和优异的性能成为构建新型纳米气体传感器的重要选择之一。硼烯,是一种在银衬底上合成的二维硼材
电化学固氮作为一种环境友好、可持续的NH3合成方法,有望取代传统的Haber Bosch工艺。过渡金属由于具有空的d轨道,可以通过π反馈贡献过程实现电化学氮还原反应（NRR）活性。然而,在电化学固氮过程中,需要克服析氢反应（HER）竞争,因此探索低析氢活性的过渡金属基催化剂至关重要,目前面临的挑战是设计一个合理的结构来提高电化学固氮性能。本文采用磁控溅射的方法,在Ti O2纳米柱上附着一层Ni O