论文部分内容阅读
摘 要:通过在Ga2Te3半导体中填加Sb、Cu两元素制备获得了Ga2Sb0.2Cu0.2Te2.6化合物。化合物的Seebeck系数小于本征Ga2Te3。比较本征Ga2Te3，所制得的材料电导率在590 K时提高了近7倍，功率因子提高了约73%。
关键词:Ga2Te3基半导体；Seebeck系数；电导率；功率因子
0 引言
热电材料是利用固体内部的载流子运动实现热能和电能相互转化的功能材料。其效率由无量纲优值Z来表征，具体可表述为：
Z= a2 o/k
其中a、o和k分别是是Seebeck系数，电导率和热导率，Z值越大说明材料的电性能越好。目前获得高电学性能热电材料的方法主要有寻找具有较高功率因子（?2?）的低维材料[1, 2]。
Ga2Te3 是AIII2 BⅥ3 系列具有闪锌矿结构半导体化合物，由于阳离子和阴离子之间的离子价不匹配，有三分之一的阳离子位置空缺[3]，其化学分子式可以写成Ga2VA1Te3，其中VA代表空位[4]。掺杂原子很容易形成杂质能带，降低本征Ga2Te3 的带隙宽度，从而提高材料的电学性能。
1 实验及测试方法
本次实验拟采用等摩尔分数的Sb、Cu替换Te元素，根据分子式Ga2Sb0.2Cu0.2Te2.6，分别称量纯度为99.999%的Ga、Sb、Te、Cu四种元素置于石英管中并抽真空封管，在1323 K下熔炼24 h，随炉冷却到663 K时退火10天。取出铸锭并将其研磨成粉，以350 r/min的速度球磨5 h。粉末自然干燥后，采用放电等离子烧结技术（SPS–1030）进行烧结，烧结温度与烧结压强分别为613 K和50 MPa。烧结完后在640 K下置于真空管式炉下退火24小时，然后制成15 mm×3 mm×2.5 mm 的样品用于电学性能的测试。在氦气保护环境下采用热电性能综合测试仪（ULVAC ZEM－2）对材料的Seebeck系数（a）和电导率（o）进行测量。
2 电学性能
图1，图2分别是Ga2Sb0.2Cu0.2Te2.6与Ga2Te3的Seebeck系数(a)和电导率(o )随温度关系的对比图。在图1中，材料的Seebeck系数均为正值，可以说明该材料为p型半导体。所得化合物的a值随着温度的升高而增加，由339 K时的211.1（V/K）升高到593 K时的314.9（V/K），在590 K时a 值低于Ga2Te3约255（V/K）。在图2中，化合物电导率随着温度的升高而升高，由339 K时的2.69（Ω-1. m-1）升高到593K时的201（Ω-1. m-1），约比Ga2Te3的电导率提高了7倍。
）图3 分别是Ga2Sb0.2Cu0.2Te2.6与Ga2Te3的功率因子（ ）随温度关系的对比图。由图可以看出，掺杂Cu、Sb之后的材料功率因子得到了提高，虽然掺杂后材料的Seebeck系数没有本征的高，但是由于电导率大幅度的提高，所以功率因子也得到相应的提高。
3 结论
通过在Ga2Te3 基中填加Sb、Cu两元素制备了Ga2Sb 0.2Cu0.2Te2.6化合物。根据测量得到的电学性能，Seebeck系数随着温度的升高而降低，电导率与功率因子都随着温度的升高而提高，在590K时电导率提高了近7倍，功率因子提高了近73%。
参考文献:
[1]P. B?ttcher, U. J. Kretschmann. Structure of Dirubidium Pentatelluride, Rb2Te5. Less Common Met. [J], 1983, 95:81.
[2] F. Alapini, J. Flahaut, M. Guittarad et al. J. Solid State Chem. 28 (1979) 309.
[3] A. K. Mukherjee, U. Dhawan, K.D. Kundra et al. Bulletin of Materials Science [J], 1980, 2(1): 55.
[4] K. Kurosaki, H. Matsumoto, A. Charoenphakdee et al. Applied Physics Letters [J], 2008, 93: 012101.
作者简介：
高榆岚（1987 -），女，在读硕士，中国矿业大学材料学院，江苏 徐州221116，电话：13484215519，邮箱：gaoyulan8705@163.com
关键词:Ga2Te3基半导体；Seebeck系数；电导率；功率因子
0 引言
热电材料是利用固体内部的载流子运动实现热能和电能相互转化的功能材料。其效率由无量纲优值Z来表征，具体可表述为：
Z= a2 o/k
其中a、o和k分别是是Seebeck系数，电导率和热导率，Z值越大说明材料的电性能越好。目前获得高电学性能热电材料的方法主要有寻找具有较高功率因子（?2?）的低维材料[1, 2]。
Ga2Te3 是AIII2 BⅥ3 系列具有闪锌矿结构半导体化合物，由于阳离子和阴离子之间的离子价不匹配，有三分之一的阳离子位置空缺[3]，其化学分子式可以写成Ga2VA1Te3，其中VA代表空位[4]。掺杂原子很容易形成杂质能带，降低本征Ga2Te3 的带隙宽度，从而提高材料的电学性能。
1 实验及测试方法
本次实验拟采用等摩尔分数的Sb、Cu替换Te元素，根据分子式Ga2Sb0.2Cu0.2Te2.6，分别称量纯度为99.999%的Ga、Sb、Te、Cu四种元素置于石英管中并抽真空封管，在1323 K下熔炼24 h，随炉冷却到663 K时退火10天。取出铸锭并将其研磨成粉，以350 r/min的速度球磨5 h。粉末自然干燥后，采用放电等离子烧结技术（SPS–1030）进行烧结，烧结温度与烧结压强分别为613 K和50 MPa。烧结完后在640 K下置于真空管式炉下退火24小时，然后制成15 mm×3 mm×2.5 mm 的样品用于电学性能的测试。在氦气保护环境下采用热电性能综合测试仪（ULVAC ZEM－2）对材料的Seebeck系数（a）和电导率（o）进行测量。
2 电学性能
图1，图2分别是Ga2Sb0.2Cu0.2Te2.6与Ga2Te3的Seebeck系数(a)和电导率(o )随温度关系的对比图。在图1中，材料的Seebeck系数均为正值，可以说明该材料为p型半导体。所得化合物的a值随着温度的升高而增加，由339 K时的211.1（V/K）升高到593 K时的314.9（V/K），在590 K时a 值低于Ga2Te3约255（V/K）。在图2中，化合物电导率随着温度的升高而升高，由339 K时的2.69（Ω-1. m-1）升高到593K时的201（Ω-1. m-1），约比Ga2Te3的电导率提高了7倍。
）图3 分别是Ga2Sb0.2Cu0.2Te2.6与Ga2Te3的功率因子（ ）随温度关系的对比图。由图可以看出，掺杂Cu、Sb之后的材料功率因子得到了提高，虽然掺杂后材料的Seebeck系数没有本征的高，但是由于电导率大幅度的提高，所以功率因子也得到相应的提高。
3 结论
通过在Ga2Te3 基中填加Sb、Cu两元素制备了Ga2Sb 0.2Cu0.2Te2.6化合物。根据测量得到的电学性能，Seebeck系数随着温度的升高而降低，电导率与功率因子都随着温度的升高而提高，在590K时电导率提高了近7倍，功率因子提高了近73%。
参考文献:
[1]P. B?ttcher, U. J. Kretschmann. Structure of Dirubidium Pentatelluride, Rb2Te5. Less Common Met. [J], 1983, 95:81.
[2] F. Alapini, J. Flahaut, M. Guittarad et al. J. Solid State Chem. 28 (1979) 309.
[3] A. K. Mukherjee, U. Dhawan, K.D. Kundra et al. Bulletin of Materials Science [J], 1980, 2(1): 55.
[4] K. Kurosaki, H. Matsumoto, A. Charoenphakdee et al. Applied Physics Letters [J], 2008, 93: 012101.
作者简介：
高榆岚（1987 -），女，在读硕士，中国矿业大学材料学院，江苏 徐州221116，电话：13484215519，邮箱：gaoyulan8705@163.com