氯元素掺杂硒化锡制备及热电性能研究

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热电材料可以直接实现热能和电能之间的相互转换,在半导体温差发电和制冷领域有着广泛应用前景,被认为是十分重要的清洁能源材料。近年来单晶硒化锡(SnSe)优异的热电性能,使得热电材料的单晶制备和研究成为人们关注的热点方向。如何有效协调SnSe单晶制备过程中的排杂和性能调控上的组分掺杂是目前SnSe单晶热电材料研究亟待解决的问题。本文采用布里奇曼法(Bridgman)生长了不同浓度Cl掺杂的n型SnSe单晶体,研究了Cl掺杂对SnSe单晶热电性能的影响;并对Cl掺杂的SnSe单晶体解理面的氧化问题开展了研究,此外,结合熔融热压制备方法研究了Cl和Te共掺多晶SnSe热电性能,主要内容及结论如下:一、采用布里奇曼法(Bridgman)制备了Cl掺杂的n型SnSe单晶热电材料,研究了Cl的掺杂量对SnSe1-xClx(x=0,0.02,0.025,0.03,0.04)样品的热电性能的影响。结果表明,Cl的掺入可以实现SnSe单晶从p型到n型的转变。当x=0.03时,SnSe0.97Cl0.03样品的电子浓度提高到5.1×1018 cm-3,样品表现出高的电导率和迁移率。在323 K温度下功率因子(PF)达到17.8μW cm-1 K-2。在323773 K温度范围内的平均ZT值达到0.72,为不掺杂SnSe单晶样品的3.8倍,表明Cl掺杂可以有效改善低温段n型SnSe单晶的热电性能。二、研究了Cl掺杂n型SnSe单晶解理面的氧化问题,发现Cl掺杂n型SnSe单晶样品暴露于氧化环境下,会在表面形成Sn(OH)Cl氧化层,并且该氧化层与SnSe基体形成异质结结构,呈现p-n结特性,从而导致Cl掺杂n型SnSe单晶电学性能的降低。Sn(OH)Cl/SnSe异质结在低温下相对稳定,在200℃左右分解消失,这表明防止Cl掺杂n型SnSe单晶样品表面氧化物的生成有助于稳定和改善其热电性能。三、采用熔炼和热压烧结的方法制备了SnSe0.85-xTexCl0.1(x=0,0.02,0.04,0.06,0.08,0.1)系列样品,并对其在323773 K范围内的热电性能进行了测量。发现Te的掺入引入大量的杂质缺陷,提高样品的载流子浓度的同时,增加电子散射,降低了迁移率,其对n型SnSe的电学输运性能改善有限。而Te引入的缺陷有效增强声子散射,降低n型SnSe的热导率。在773 K的温度下,SnSe0.81Te0.04Cl0.1样品ZT=0.81。
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