论文部分内容阅读
热电材料是一种可以通过材料内部载流子的定向移动,实现电能和热能直接相互转换的功能材料。由它制成的热电器件（包括温差发电器件和热电制冷器件）均具有安全可靠、无污染、无噪音、无可动部件、易于维护等优点,因此受到科学界的广泛关注。其中,锑基Zintl相化合物AM2Sb2（A为碱土金属或二价稀土金属,M为过渡金属）由于具有独特的晶体结构（层状结构和网状结构）,而被大量研究。BaZn2Sb2（正交晶系,空间群Pnma）是由Zn-Sb网络和Ba离子构成,属于声子玻璃-电子晶体（PGEC）概念范畴。之前有研究表明该化合物表现出良好的电热输运性能,是一种极具潜力的中温热电材料。本文采用了固相反应法和真空热压技术成功合成了Ba1-xNax Zn2Sb2（0≤x≤0.1）Ba位Na单掺杂、Ba1-ySry Zn2Sb2（0≤y≤0.1）Ba位Sr单掺杂、Ba0.94-x Na0.06Srx Zn2Sb2（0≤x≤0.1）Ba位Na、Sr共掺杂、Ba（Zn1-xAgx）2Sb2（0≤x≤0.01）Zn位Ag单掺杂和Ba（Zn1-yCuy）2Sb2（0≤y≤0.01）Zn位Cu单掺杂的BaZn2Sb2基块体热电材料,系统地研究了BaZn2Sb2化合物不同位置掺杂对其热电性能的影响。主要成果如下:1.Ba位Na掺杂Ba1-xNax Zn2Sb2（x=0,0.03,0.06,0.08,0.09,0.10）p型BaZn2Sb2基热电材料300 K723 K范围内电热输运性能表现为:Ba1-x Nax Zn2Sb2热电材料的电导率在0≤x≤0.06内随Na掺量的增多而增大,之后又降低;Seebeck系数与之相反;Ba0.94Na0.06Zn2Sb2样品697 K下的功率因子最大,达到10.46μW cm-1K-2,比未掺杂BaZn2Sb2（5.39μW cm-1 K-2,464 K）增大了近2倍。热导率随Na掺杂含量的增多而不断增大,室温下的值在1.27 W m-1 K-1到2.71 W m-1 K-1内变化。最终,Ba0.94Na0.06Zn2Sb2样品的ZT值在697 K下达到0.53。2.Ba位Sr掺杂Ba1-ySry Zn2Sb2（y=0,0.02,0.04,0.06,0.08,0.10）p型BaZn2Sb2基热电材料的晶胞参数a,b,c均随y增大而减小。300 K723 K内电热输运性能表现为:Ba1-ySry Zn2Sb2热电材料的电导率随Sr掺杂含量的增大先增大（0≤y≤0.04）后减小（y>0.04）,Seebeck系数的变化情况与之相反,先降低后升高,功率因子稍有提高;Sr掺入后明显降低了BaZn2Sb2的晶格热导率,696 K下,Ba0.98Sr0.02Zn2Sb2的ZT值达到0.45。3.基于Na、Sr单掺对BaZn2Sb2热电性能的优化效果,Ba位Na、Sr共掺的Ba0.94-yNa0.06Sry Zn2Sb2（y=0,0.02,0.04,0.06）p型热电材料的电热输运性能被研究。结果表现为:Ba0.92Na0.06Sr0.02Zn2Sb2样品的功率因子在704 K下达到12.46μWcm-1K-2,室温下的热导率也有明显降低。最终,Ba0.92Na0.06Sr0.02Zn2Sb2热电材料在704 K时的ZT值最大,达到0.58,与未掺杂BaZn2Sb2（0.35,697 K）热电材料相比,提高了66%。4.研究了BaZn2Sb2在Zn位的掺杂效果。Ba（Zn1-xAgx）2Sb2（x=0,0.002,0.004,0.006,0.008,0.01）和Ba（Zn1-yCuy）2Sb2（y=0,0.002,0.004,0.006,0.008,0.01）p型BaZn2Sb2基热电材料300 K773 K范围内电热输运性能表现为:Ba（Zn1-xAgx）2Sb2热电材料的电导率随Ag掺量的增多而不断增大,Seebeck系数不断降低,热导率不断增大,Ba（Zn0.996Ag0.004）2Sb2样品在760 K时的ZT值最大,达到0.63;Ba（Zn1-yCuy）2Sb2热电材料的电热输运性能变化趋势与Ba（Zn1-x Agx）2Sb2的一致,但效果略差一点,Ba（Zn0.996Cu0.004）2Sb2样品在762 K时的ZT值最大,达到0.53。5.p型BaCu2Te2热电材料300 K773 K范围内的电热输运性质表现为:其电导率数量级在104,具有较好的电性能,同时热导率较低,其ZT值在762 K下达到0.77,是一种性能优良的新型Zintl相笼状化合物热电材料。