定向凝固M(Zn,Sn,In,Ge)掺杂Bi0.5Sb1.5Te3合金组织与热电性能

摘要

热电材料是一种能够实现直接把热能与电能相互转换，清洁环保的新型功能材料。Bi2Te3系合金是室温附近性能最优异的热电材料，在温差发电和热电制冷领域应用具有广阔的前景，其中Bi0.5Sb1.5Te3为性能最优的p型材料，其最大热电优值(ZT)一直在1左右。因此，在Bi0.5Sb1.5Te3的基础上来提高热电性能，对热电材料的大规模应用具有重要意义。本文以Bi0.5Sb1.5Te3合金为基体，采用定向凝固技术，系统地研究元素掺杂后合金组织演变以及热电输运性能。
　　采用高真空定向凝固炉制备出Zn、Sn、In元素掺杂Bi0.5Sb1.5Te3合金，研究发现，Zn、Sn、In元素掺杂后合金铸态组织成分基本均匀，在对合金在3μm/s的抽拉速率下进行定向凝固后，不仅固液界面平齐，而且凝固稳态区成分分布均匀，没有析出相；为了进一步调整合金载流子浓度，在Bi0.5Sb1.5Te3中加入过量的Te元素，制备出Gex(Bi0.5Sb1.5Te3)1-x+8wt.%Te(x=0、0.005、0.01、0.05)系列合金，发现合金铸态组织中出现明显的富Te相，同样在合金以3μm/s的抽拉速率进行定向凝固后，不仅得到平齐的固液界面，而且组织成分在定向凝固稳态区均匀一致，原先铸态组织中出现的富Te相消失，合金为单相固溶体。
　　对上述合金进行电热输运性能测试，结果表明，Zn、Sn元素为受主掺杂，增加了空穴浓度，合金的电导率得到提高但Seebeck系数却大幅降低，In元素则为施主掺杂，增加了电子浓度，使空穴浓度相对减少。在Gex(Bi0.5Sb1.5Te3)1-x+8wt.%Te(x=0、0.005、0.01、0.05)合金中，8wt.%Te的加入很大程度降低了合金空穴浓度，使合金具有较低载流子热导率的同时具有较高的Seebeck系数；合金电导率及本征激发温度随着Ge含量的增加而逐渐增大，Seebeck系数则逐渐降低，主要由于Ge元素的加入，增加了合金空穴浓度；同时声子热导率随Ge元素含量的增多而降低， Ge代替Bi或Sb的位置形成置换固溶体，晶体结构的改变，使晶格发生畸变，增强了声子散射能力，总的来说，当x=0.005时，合金具有较高的功率因子，总的热导率也相对较低，因此热电性能最好，ZT值在430K时最大为0.88，提高了Bi0.5Sb1.5Te3合金在较宽温度区域范围内的热电性能。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 热电材料发展史

1.3热电基本理论

1.4 热电性能优化

1.5 Bi2Te3系热电材料研究进展

1.6 本课题研究思路及主要内容

第2章 实验器材及测试方法

2.1 实验原料及设备

2.2 样品制备

2.3 样品表征

2.4 热电性能测试

第3章 M(Zn, Sn, In, Ge)掺杂Bi0.5Sb1.5Te3合金组织

3.1 引言

3.2 (Zn, Sn, In)掺杂Bi0.5Sb1.5Te3合金组织演化

3.3 Te掺杂Bi0.5Sb1.5Te3合金组织演化

3.4 Ge掺杂Bi0.5Sb1.5Te3合金组织演化

3.5 本章小结

第4章 M(Zn, Sn, In, Ge)掺杂Bi0.5Sb1.5Te3合金热电性能

4.1 引言

4.2 (Zn, Sn, In)掺杂Bi0.5Sb1.5Te3合金热电性能

4.3 Te掺杂Bi0.5Sb1.5Te3合金热电性能

4.4 Ge掺杂Bi0.5Sb1.5Te3合金热电性能

4.5本章小结

结论

参考文献

声明

致谢