多尺度p型SnTe基热电材料的制备及其性能研究

来源 :中国石油大学(北京) | 被引量 : 0次 | 上传用户:lyx2597758
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在能源可持续发展的背景下,能够实现热与电直接相互转化的热电材料得到迅速发展。SnTe与Pb Te具有相似的物理化学性质,是一种非常有潜力的Pb Te替代材料。但是,过高的载流子浓度和较大的轻重带能量差限制了电性能,较小的带隙和较大的晶格热导率限制了热性能,所以SnTe的本征热电性能不高。本文以p型SnTe为研究对象,通过载流子浓度优化、能带结构调整和多尺度结构设计等策略提高了热电性能。借助XRD、SEM、能带结构计算和热电性能测试等分析手段揭示了热电性能变化背后的深层原因,主要的研究结论如下:首先,通过AgCl在SnTe阴-阳离子位置的双取代实现了电性能和热性能的协同优化。研究发现:双位取代对载流子浓度的影响和对能带结构的修饰改善了电性能;同时,由固溶点缺陷、晶界以及析出相组成的多尺度声子散射中心在较宽的温度范围内优化了热性能。最终,成分为(SnTe)0.91(AgCl)0.09的样品在773 K时获得了0.52的最高z T值,比纯相SnTe提高了52.9%。其次,通过Cu2Se固溶SnTe实现了热传输性能的独立优化。研究发现,Cu2Se溶解于SnTe基体几乎不影响载流子的电输运,同时会形成以点缺陷和纳米结构为主的多尺度声子散射中心。这样的结构组成在最小化对电性能影响的基础性上有效降低了高温区的晶格热导率。所以,在773 K时,z T值从纯相SnTe的0.34上升到(SnTe)0.99(Cu2Se)0.01的0.53。最后,选择塞贝克系数较高但电导率较低的CuGaTe2复合SnTe,实现了热电性能的综合优化。研究发现,CuGaTe2在SnTe中的最大固溶度为1%,当超过这个比例时析出CuGaTe2相。低掺杂时,固溶引起的载流子浓度优化和点缺陷散射分别提高了低温区的电性能和高温区的热性能;高掺杂时,CuGaTe2复合作用和相界面造成的声子散射分别优化了高温区的电性能和低温区的热性能;成分介于两者之间时,在很宽的温度范围内优化了热电性能。最终,(SnTe)0.96(CuGaTe2)0.04样品在773 K时实现了最佳的热电性能优化效果,z Tmax=0.78。
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