SnTe基热电材料的掺杂及性能优化研究

摘要

热电材料可以直接实现热能与电能之间的相互转化，是一种极具发展潜力的新型能源材料，以热电材料制成的器件具有无污染、无噪音、体积小、结构简单、可靠性强、使用寿命长等特点。目前 PbTe基热电材料已被论证为具有较高热电性能的材料，但由于 PbTe基热电材料受到其制作成本较高与 Pb元素对环境的污染问题得不到广泛应用。SnTe是一种与 PbTe同构型的化合物，被认为是可以代替 PbTe的清洁、无污染热电材料，广受热电研究者关注。
　　本论文针对SnTe合金作为热电材料的两大劣势：一方面是由本征空穴浓度过高及小带隙导致双极扩散严重而在宏观上体现的Seebeck系数过低；另一方面是其热导率过高，对其进行掺杂改性。实验采用高温真空熔炼、淬火及放电等离子烧结（SPS）工艺制备了（Sn0.8Ge0.2）1-xMnxTe、（Sn0.8Ge0.2）1-xInxTe、（Sn0.9Mn0.11）1-xInxTe三个系列合金样品，分别研究其物相组成、显微组织及热电性能，获得了热电性能较好的SnTe基热电材料。
　　对Ge/Mn双掺杂（Sn0.8Ge0.2）1-xMnxTe（x=0,0.03,0.06,0.09,0.12,0.15,0.18,0.20）系列合金研究表明：Ge/Mn双掺可以扩宽 SnTe合金的带隙及收敛其能带，Ge元素的加入增加了Mn在SnTe合金中的固溶度，在本体系中Mn的固溶度超过20 mol%，合金保持 p型半导体性质， Ge/Mn双掺杂能有效提高 SnTe合金的电学性能，得到较高的功率因子，同时降低合金的热导率。在 Mn的掺杂量为15 mol%时，样品在873 K获得高达1.22的 ZT值，是纯SnTe在同温度ZT值的3.81倍。
　　对Ge/In双掺杂（Sn0.8Ge0.2）1-xInxTe（x=0,0.002,0.005,0.01,0.015,0.02）系列合金研究表明：在 Sn0.8Ge0.2Te合金已具较高功率因子的基础上，掺入In元素可以使合金的能带结构产生共振能级的作用，此作用增大合金的能态密度从而提高其 Seebeck系数。由于整个测试温区的 Seebeck系数都得到了提高，导致本体系合金在整个测试温区内的功率因子也得到提高，并且合金的热导率也随着掺杂量的提高而降低。合金的ZT值在In的掺杂量为1 mol%时达到最大1.18（873 K），计算其在298~873 K温区内的平均ZT值，可得成分为（Sn0.8Ge0.2）0.99In0.01Te的合金平均值高达0.61，是纯 SnTe平均 ZT值0.14的4.32倍。
　　对Mn/In双掺杂（Sn0.9Mn0.11）1-xInxTe（x=0,0.002,0.005,0.01,0.015,0.02）系列合金研究表明：通过同时引入 Mn及In元素可以在扩宽SnTe带隙及收敛其轻重价带能量差的同时引入共振能级的作用，从而更高效率地提高其Seebeck系数，在室温时In掺杂量为1 mol%合金的Seebeck系数为101μV/K，是纯SnTe同温度下的3.46倍，但是由于合金的电阻率也随掺杂量的升高而升高，最终导致功率因子的提升幅度不大；由于元素掺杂使得合金的热导率大幅度降低，最优成分（Sn0.9Mn0.11）0.99In0.01Te在873 K下的ZT值为1.21。

目录

第1章 绪 论

1.1 引言

1.2 热电效应及热电器件工作原理

1.3 热电运输理论

1.4 常见热电材料

1.5 SnTe热电材料研究进展

1.6 论文工作意义和主要研究内容

第2章 实验方法

2.1 实验原料及实验设备

2.2 样品制备及流程

2.3 结构及性能表征

第3章 Ge/Mn双掺对SnTe的热电性能优化研究

3.1 引言

3.2 第一性原理计算

3.3 物相及显微组织分析

3.4 热电性能分析

3.5 热电优值

3.6 本章小结

第4章Ge/In双掺对SnTe的热电性能优化研究

4.1 引言

4.2 物相及显微组织分析

4.3 热电性能分析

4.4 热电优值

4.5 本章小结

第5章Mn/In双掺对SnTe的热电性能优化研究

5.1 引言

5.2 物相分析

5.3 热电性能分析

5.4 热电优值

5.5 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢