p型SnSe织构化多晶制备与热电性能优化探究

摘要

硒化锡（SnSe）是新兴热电材料体系之一。但SnSe多晶存在功率因子过低（S2σ<5μWcm-1K-2）、热电性能差（ZT值范围0.3~0.6），亟需结构改善和性能提高。本论文从重建SnSe多晶各向异性的角度入手，利用区熔法（ZM）、区熔-放电等离子烧结法（ZM-SPS）、区熔-热压法（ZM-HP）制备了三种高织构化程度的p型多晶SnSe材料。采用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、ZEM-3型电学性能测试系统、LFA-457型激光热导仪及综合物理测试系统（PPMS）等分析手段对其进行了物相、显微结构、织构化程度和热电性能表征，并对Ge掺杂SnSe多晶材料的热电性能进行了初步分析。主要结论为：
　　1.ZM、ZM-SPS、ZM-HP法制备的SnSe多晶均以（400）晶面为择优取向。采用Lotgering法计算SnSe多晶（400）面的取向因子F（400）值分别为0.98、0.66、0.41，高于文献报道的0.04~0.31；
　　2.823K时，ZM-HP、ZM-SPS、ZM制备的SnSe多晶功率因子分别为3.88μWcm-1K-2、6.33μWcm-1K-2、9.52μWcm-1K-2；ZM样品的功率因子最大可达9.82μWcm-1K-2@873K，接近单晶（9.87μWcm-1K-2）；这表明电输运性能随织构化程度提高有变高的趋势。热导率可通过晶界的引入及织构化程度的减小而有效降低：ZM、ZM-SPS、ZM-HP制备的SnSe晶粒尺寸范围分别为>250μm、50~70μm，50~100μm，823K时各样品对应的热导率分别为0.95Wm-1K-1、0.69Wm-1K-1、0.69Wm-1K-1。提高织构化程度是优化SnSe多晶热电性能的有效途径：ZM、ZM-SPS制备的SnSe多晶ZT值分别可达0.92、1.05；
　　3.Ge掺杂能显著降低SnSe体系的载流子浓度，恶化电输运性能。ZM-HP法制备的Sn0.92Ge0.08Se，室温载流子浓度由未掺杂Ge时的2.9×1017cm-3降至6.6×1016cm-3，823K时功率因子由未掺杂Ge时的3.88μWcm-1K-2降至1.87μWcm-1K-2。