Cr2Se3基热电材料的可控制备及其性能优化研究

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热电材料,可实现热能与电能间的相互转换,具有绿色环保、稳定耐用、无机械传动等优点,在余热利用、太空探测器供能方面有极大的作用。Cr2Se3是一种具有较低热导率的二维层状热电材料,其结构独特、环境友好、组成元素储量丰富,引起了科研人员的广泛的关注,在电学、热学、磁学上均具有研究价值。本文通过传统固相合成法制备多晶Cr2Se3块体,研究了等离子电火花烧结工艺(SPS)的烧结温度对产物的物相、形貌、热电性能的影响;然后对多晶Cr2Se3进行掺杂,以优化多晶Cr2Se3的载流子浓度,提高其热电性能。同时采用助熔剂法生长了单晶Cr2Se3,探索了组分、温度、生长时间对产物的影响,研究了其低温物性。论文主要研究结果如下:(1)以Cr、Se粉为原料,采用传统固相合成法和SPS工艺制备多晶Cr2Se3块体。结果表明,随着SPS温度的升高,多晶Cr2Se3的晶粒呈增大趋势,其致密度也逐渐增加。此外,通过调节SPS温度可实现P型和N型Cr2Se3的转变,SPS温度大于650℃时,多晶Cr2Se3从P型转变为N型。其中SPS温度为550℃的P型Cr2Se3在573 K时的热电优值达到0.13。SPS温度为750℃的N型Cr2Se3在573 K时的热电优值达到0.11。(2)通过对多晶Cr2Se3进行掺杂,研究了掺杂对多晶Cr2Se3热电性能的影响。结果表明,掺杂样品均呈现为P型导电特性,其中,掺杂Cu或In的多晶Cr2Se3样品大幅提高了电导率,虽然热导率有了显著的上升,但对热电性能依旧有明显的优化效果,得到更大的功率因子和热电优值,样品Cr1.99Cu0.01Se3在573 K时热电优值达到0.20。(3)采用助熔剂法制备了片状Cr2Se3单晶,所得产物为菱方结构,空间群为R3H。使用综合物性测量系统(PPMS)对样品进行了低温(0-300 K)综合物性测量,结果表明,低温下样品的电阻率随温度的升高而升高,随磁场的增大而减小。低温下样品并未观察到反常霍尔效应。此外,低温下样品的塞贝克系数随温度的升高而升高,而热导率随温度的升高变化不大。现有文献中对单晶Cr2Se3低温热电性能的系统性研究较少,本研究结果将有助于更加全面的了解低温下过渡金属硫族化合物的物理性质。
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