Te基热电材料的电声输运及其性能研究

来源 :中国石油大学(北京) | 被引量 : 0次 | 上传用户:jinsanshao
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在倡导可持续能源发展的大背景环境下,热电材料作为一种节能环保新型材料有望提升能源利用率。Te单质基热电材料由于其特有的嵌套能带结构以及独特的电子结构被公认为是高性能中温区元素热电材料。然而其过低的本征载流子浓度以及低元素固溶度的特性导致其纯相热电性能仍有待提高。本文选择Te作为研究主体,采用了高效便捷的机械合金化方法制备了不同组分的Te基热电材料,通过元素受主掺杂,第二相复合改性以及微观形貌调控等策略对其热电性能进行了优化,并借助XRD、霍尔分析、SEM以及热电参数测量等手段探究了Te基材料电声输运性能优化的深层原因,主要的研究成果如下:首先,选用了VA族的Bi、Sb元素分别对Te单质进行受主掺杂,结果发现,分别微量掺杂Bi、Sb元素可以有效优化Te的载流子浓度至1-2×1019 cm-3的最优区间,极大提升了Te的电输运性能。有效质量计算以及霍尔测试结果发现Bi掺杂后样品有效质量约为0.7 me,但迁移率仅约120 cm~2 V-1s-1。其中组分为Te0.9965Bi0.0035的样品在573 K时的热电优值最高,z Tmax=0.87,较纯相提升约320%;而Sb元素掺杂改性的样品较掺Bi样品拥有更高的迁移率和功率因子,其中Te0.99Sb0.01在598K达到了最高的热电优值,z Tmax=0.94,与纯相Te相比,提高了约354%。而后,选择了Mn Te颗粒作为第二相对Te单质进行复合,Mn原子可以对Te基体进行受主掺杂,提升了基体的空穴浓度。此外,Mn Te颗粒复合还会在基体中引入点缺陷、异质界面以及成分偏析等声子散射源,有效降低了Te的晶格热导率并优化了Te的热输运性能。在此基础上掺杂Sb元素对Te的电输运性能进行优化,在复合,掺杂的双重调节作用下,组分为(Te0.99Sb0.01)0.97(Mn Te)0.03样品在温度为573 K时性能最优,z Tmax=0.98,较纯相Te提升约373%。最后,选用了Se对Te0.99Sb0.01基体进行合金化并同时探究了Ag掺杂前后样品的性能变化。实验结果发现Se合金化可以在基体中引入点缺陷、高密度晶界等多尺度散射中心,有效地降低了基体的晶格热导率。而Ag的掺入可以调控Te-Se体系的微观形貌,增大基体的晶粒,补偿体系损失的迁移率,并保留了该体系散射中高频声子的能力。经过成分优化后发现,Ag、Se的双掺杂实现了Te全温区热电性能的综合优化和热电参数的解耦。最终,组分为Te0.94Ag0.02Sb0.01Se0.03样品在573K时性能最优,z Tmax=0.91,较纯相约提升340%。且在298-573 K温区内得到了整体较高的热电性能,z Tavg=0.57,与纯相Te相比提高了330%。
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