Cu2Se基复合材料的制备及热电性能研究

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热电材料因其能实现电能与热能间的直接转换,而被研究人员们认为是解决当前能源问题的关键之一,同时它还是一种环境友好型材料。Cu2Se基化合物在热电材料研究领域备受关注,主要原因是它具有极低的热导率从而展现出优异的热电性能。本文通过高能球磨法结合直流辅助热压法制备了Cu1.95Se与金属硒化物(Ni、Fe、Al)组成的复合材料,以探索复合相对材料热电性能的影响。首先通过在球磨法制备的Cu1.95Se粉末中添加5 vol.%不同的金属粉末(Ni、Fe、Al),再将粉体混合均匀后通过热压法制备出由Cu1.95Se与相应金属硒化物组成的复合材料Cu1.95Se/MxSe-5 vol.%(M=Ni、Fe、Al),最后研究不同复合材料的热电性能。在上述工作的基础上,进一步研究了在Cu1.95Se中加入不同体积比(1%、3%、5%)的Ni粉和Fe粉后制得的复合材料热电性能,主要结果如下:1.利用高能球磨法结合直流辅助热压法制备Cu1.95Se/MxSe-5 vol.%(M=Ni、Fe、Al)复合材料,所有样品仍保持低温α-Cu2Se晶体结构。Cu1.95Se/NixSey-5 vol.%、Cu1.95Se/FexSey-5 vol.%和Cu1.95Se/AlxSey-5 vol.%中的金属硒化物分别为Ni2Se3、CuFeSe2和AlCuSe2。Cu1.95Se/MxSey-5 vol.%(M=Ni,Fe,Al)中的第二相都有效地降低了载流子浓度,使得其Seebeck系数有一定提升,同时电导率下降。因Cu1.95Se/MxSey-5 vol.%(M=Ni,Fe,Al)电导率下降,从而降低了其电子热导率。同时,所有样品因第二相AlCuSe2、Ni2Se3和CuFeSe2增强了声子使其晶格热导率降低。Cu1.95Se/AlxSey-5 vol.%样品热导率的降低仅来源于因载流子浓度变化导致的电子热导率降低,且其功率因子也较低,故最终该成分对整体材料的热电性能没有起到优化的作用。与Cu1.95Se相比,Cu1.95Se/NixSey-5 vol.%和Cu1.95Se/FexSey-5 vol.%的ZTavg分别提升了147%和52%。Cu1.95Se/NixSey-5 vol.%的电性能也较差,但在600℃时取得与该温度下Cu1.95Se的1.161相差无几的最高ZT值1.162,这主要得益于其极低的热导率。最终,复合材料处于室温时的热电性能比Cu1.95Se的热电性能有较大的提升,Cu1.95Se、Cu1.95Se/NixSey-5 vol.%、Cu1.95Se/FexSey-5 vol.%和Cu1.95Se/Al xSey-5 vol.%室温时的ZT值分别为0.09、0.65、0.21和0.07。2.利用高能球磨法结合直流辅助热压法制备了Cu1.95Se/NixSey-f vol.%(f=1,3,5)复合材料,所有样品仍保持低温α-Cu2Se晶体结构。Cu1.95Se/NixSey-f vol.%(f=1,3,5)中,f=1样品的镍硒相为NiSe2,f=3,5的样品中的镍硒相为Ni3Se2。与Cu1.95Se相比,第二相的存在大幅降低了整体材料的热导率,也改变了样品载流子浓度使得其电导率和Seebeck系数都发生了变化。所有样品在室温下的热电性能都得到了一定提高,Cu1.95Se/NixSey-f vol.%(f=1,3,5)室温的ZT值分别为0.26、0.31和0.66,而该温度下Cu1.95Se的ZT值仅为0.09。在600℃时,f=1样品的ZT值高达1.91,是所有样品中的最大值,相比于该温度下Cu1.95Se样品的1.16提升了将近65%。3.利用高能球磨法结合直流辅助热压法制备了Cu1.95Se/FexSey-f vol.%(f=1,3,5)复合材料,所有样品仍保持低温α-Cu2Se晶体结构。Cu1.95Se/FexSey-f vol.%(f=1,3,5)中,f=1样品中无第二相存在,f=3,5的样品中第二种材料都为三元化合物FeCuSe2。与Cu1.95Se相比,所有存在第二相的样品综合电性能较差,这是FeCuSe2降低了样品载流子浓度的结果。除f=1样品外,其它样品的电子热导率和晶格热导率都降低了,它们在室温时的热电性能都得到了一定提高,Cu1.95Se/FexSey-f vol.%(f=1,3,5)ZT值分别为0.07、0.33和0.24。其中,f=3的样品在600℃时ZT值高达1.63,是所有样品中的最大值,相比于该温度下Cu1.95Se的1.16提升了将近40%。
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