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热电材料能实现电能与热能相互转化,未来在余热回收、固态制冷等领域有广阔的前景。如何优化材料的热电优值是当今被热烈讨论的问题。本文以P型Bi2Te3基赝三元热电材料为研究对象,掺杂稀土元素Y来优化其性能。 采用机械合金化法制得p型Y掺杂Bi2Te3基赝三元热电材料。通过真空高温烧结释放内应力并使其晶粒生长。在此基础上采用热压法获得块体热电材料。对不同掺杂浓度和不同热压温度下制备的p型Y掺杂赝三元块体材料进行测试。 微观结构分析表明,烧结后晶粒生长,衍射峰变高变窄,Y元素发生化合反应,高温真空烧结和热压后的材料内部的小晶粒紧凑并生长互相融合,结构变得致密,不易劈裂。载流子输运分析表明,掺杂Y元素使材料的受主杂质增多,载流子浓度增加后饱和;随着Y的掺杂的增加散射效应增强迁移率减小。 随掺杂浓度增加,电导率呈先升高后下降的趋势,在掺杂浓度为1.5%时达到最大值。随着掺杂浓度的增加,载流子浓度增加电导率增大;随着掺杂浓度的增加,载流子浓度也随之增加,散射效应增强,电导率下降。随热压温度的增加,材料内部孔隙减少,使散射机构得改善,当散射机制的改善大于有效质量以及载流子浓度对电导率的影响时,电导率便会升高。 Seebeck系数在掺杂浓度为0.1%到1.5%范围内,随掺杂浓度的增加,载流子浓度增加,能带结构变化,有效质量随之变化,Seebeck系数值增大;Y的掺杂浓度在1.5%到2%的范围内,随着掺杂浓度的增加,导致载流子的散射效应增强,Seebeck系数值得减小。Seebeck系数与热压温度无关。 热导率在掺杂浓度为0.1%到0.5%范围内,随着掺杂浓度的增加载流子热导率变化明显,热导率增大;而掺杂浓度在大于0.5%的范围内随着掺杂浓度的增加,声子热导率变化明显,导致热导率下降。随着热压温度的升高,声子与电子散射效应减低,热导率增加。在掺杂浓度为1.5%热压温度为100℃条件下,得到性能最佳的p型Y掺杂Bi2Te3基赝三元热电材料,最佳热电优值为1.55。