论文部分内容阅读
CuMTe2(M=In,Ga)是典型的Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ2系列黄铜矿结构直接带隙半导体材料,带隙宽度分别为Eg=1.24eV(CuGaTe2)和Eg=1.06eV(CuInTe2)。材料内部存在有阴阳离子缺陷对(MCu+2+2VCu-1),其中MCu+2表示金属M原子占据在Cu原子晶格位置的反结构缺陷,2Vcu-1表示2个Cu原子空位。由于该阴阳离子缺陷对对改善半导体材料的能带结构和热电输运特性具有重要的作用与意义,因此,本课题通过设计不同元素替换,研究三元Cu-Ga(In)-Te基半导体材料的成分、结构及与热电性能之间的关联。主要研究结果总结如下：1、用粉末冶金法、放电等离子烧结技术制备了CuGaTe2三元合金,材料为纯的单相,测量获得的直接带隙宽度为1.0eV。在701K时,CuGaTe2达到最高ZT值0.49。2、在CuGaTe2(CGT)三元合金中采用In等电子替换Ga,设计制成了CuGal-xInxTe2(x=0；0.36；0.64；1)四元化合物。替换后得到的固溶体拥有更高的Seebeck系数和相对较低的热导率和电导率,最大Seebeck系数提高了将近70%。在701K时,CuGa0.36In0.64Te2的最高无量纲值ZT值达到0.91,约是本征CuGaTe2的2倍。3、在CuGaTe2三元合金中采用Sb非等电子替换Cu,设计制备了Cu1-xGa SbxTe2(x=0；0.02；0.05；0.1)化合物,并分别计算了Sb元素取代Cu位(25.0%)和Te位(12.5%)时的能带结构。通过计算及实验证实了Sb元素在CGT材料中主要占据在Te原子的晶格位置,导致材料的费米能级进入到价带位置,提高了费米能级附近的态密度和价带有效质量,增大了Seebeck系数。同时,我们概括出主导晶格热导率KL的两个影响因素,即额外的晶格散射和晶体结构畸变。在721K时x=0.02样品的最高ZT值为1.07±0.1,约是同温度下本征CGT ZT值(0.49)的2.2倍。4、对CuGaTe2三元合金在663K时分别进行长时间(15天,30天,60天)的退火处理,Seebeck系数和电导率均得到一定程度的优化。并随着退火时间的增长,材料的热导率得到大幅的下降,热电优值得到较大的改善。在720K时,退火30天和退火60天后的材料其最大ZT值为0.86,约是同温度下本征CGT ZT值(0.49)的1.7倍。