各向异性SnSe基热电材料制备及物性研究

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21世纪工业化发展使能源消耗愈发严重,寻找新型绿色能源材料迫在眉睫。热电功能材料可以实现热能和电能的相互转换,针对目前存在的大量废热损失,提供了再利用的可能性。SnSe作为热电材料之一被广泛研究,其单晶热电优值高达2.6,成为高性能热电材料之一,但单晶不适合大规模生产、制备复杂、机械性能差,因此制备SnSe多晶并改善其热电性能成为国内外相关研究热点。本文采用水热合成法,以一种成本低廉、无添加剂、方法简便的合成工艺制备高度择优取向的多晶片层状SnSe粉体,其择优取向高达0.64,最强峰(400)峰与次强峰(111)峰的比值为9.85,并提出片状粉体水平生长和垂直生长的两个阶段,此为首次对热电材料粉体择优取向的探讨和表征。通过等离子放电烧结将水热法制备粉体烧制成织构化块体,与真空熔炼法制备SnSe粉体烧结块体进行性能对比。结果表明水热合成粉体制备的织构化块体内部晶粒排布整齐,形成特殊“之”字型织构化组织,而熔炼法合成粉体制备的块体内部晶粒无规则排布相比,织构化块体在载流子输运及声子散射方面改善显著,热导率低,电导率高,在平行压力轴方向获得最高ZT值0.67(为无规则块体的2.16倍)。为提高多晶SnSe本征电导率,对SnSe粉体分别进行Cu2-xSe和Au复合处理。对水热制备SnSe进行Cu2-xSe复合,在垂直压力轴方向,Cu2-xSe复合提供富裕载流子,在低温区电导率改善作用明显;而由于Cu2-xSe载流子散射作用抵消了载流子增多带来的电导率增益,故其在高温区改善作用并不明显。在平行压力轴方向,虽然SnSe在该方向以范德华力结合,载流子输运传导通路不畅,但是其在中温区受到热激发作用下,Cu2-xSe提供的额外载流子仍可对电导率有所增益。然而由于热导率的显著增加,Cu2-xSe复合对热电性能的改善效果并不理想。对熔炼制备SnSe粉体进行Au复合,发现Au复合使得块体沿平行压力轴方向热电性能得到显著改善,其ZT值达到0.73,相对空白试样提高大约3.6倍。主要原因在于平行压力轴方向,Au复合增加了声子散射,降低热导率;同时Au复合形成了片层间的有效传导通路,显著改善材料的电导率,使其热电性能最终得到极大改良。
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