SiGe半导体的制备和表征及温差电偶臂尺寸设计

摘要

热电材料可以有效地进行热能与电能直接相互转换，在航天探测、废热利用等领域有着可观的应用前景。其中，SiGe合金有着较好的机械性能、热稳定性和不错的热电性能，已经在航天用的温差热电发电器有所运用，但是存在的主要问题是ZT值不高，目前报道的最高也是1.15@973K，远远低于理论ZT值，从而导致温差发电器的输出功率和转换效率并不高，远远低于传统发电器40％的转换效率。为了解决上述问题，制备高ZT值SiGe合金，设计合适尺寸的温差电偶臂成了必要的手段。
　　本文首先利用机械合金化（高能球磨）的方法制备分别球磨10h、20h、30h、40h和50h的Si80Ge20B5和Si80Ge20P2热电材料合金粉末，利用真空热压烧结的方法来制备块状Si80Ge20B5和Si80Ge20P2合金试样，然后利用XRD、SEM对块状试样进行微观组织性能表征发现，通过球磨p-type和n-type两种合金均完全固溶。同时，随着球磨时间的增加，晶粒尺寸逐渐减小，球磨50h的合金试样晶粒尺寸达到了600nm。最后，对制得的十组试样进行热电性能测试分析可知，随着球磨时间的增加，合金的热导率逐渐减小，主要因为晶粒尺寸减小，晶界逐渐增多，从而加强了对声子的散射；同时，随着球磨时间增加，合金电导率先增加，后减小；最后求得ZT值，p-type SiGe合金在球磨50h时有着最高的ZT值，ZT=0.83@973K；n-type合金在球磨20h时具有最高的ZT值，ZT=1.3@973K。
　　为了确保制得的SiGe合金在高温、长期以及其他复杂条件下的服役稳定性，本文测试和计算了其纳米压痕、维氏硬度、断裂韧性、耐热震性和热稳定性。得到Si80Ge20B5合金试样的弹性模量为197.05GPa，Si80Ge20P2合金试样的弹性模量为182.76GPa，Si80Ge20B5合金试样的纳米压痕硬度为15.77GPa，Si80Ge20P2合金试样的纳米压痕硬度为15.10GPa；同时测了十组试样的维氏硬度，p-type和n-type合金试样的维氏硬度都随着球磨时间的增加而增大，这主要得益于晶粒尺寸减小。计算得到断裂韧性：p-type SiGe KIC=2.0MPam1/2，n-type SiGe合金KIC=1.8MPam1/2；耐热震性：p-type RT=455.14W/m，n-type RT=449.56W/m，耐热震性要优于其他热电材料。对p-type和n-type两种合金试样进行TG测试分析，由所得的结果可知，随着温度升高，两种合金均不存在分解和升华的现象，热稳定性很好。
　　为了提高温差发电器的输出功率和转换效率，并且为下一步设计温差发电器做好准备，本文用球磨20h的p-type和n-type合金试样作为温差发电器的PN结，用ANSYS软件模拟和计算臂长、截面积以及负载电阻对输出功率和转换效率的影响，得出当臂长L=2.5mm和横截面面积s=2.5mm2时，有着较搞的输出功率和转换效率，并且当负载电阻RL等于内阻时，输出功率最大。

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第1章 绪 论

1.1 研究背景和意义

1.2 基本效应和定义

1.3 热电材料的研究现状

1.4 热电器件的应用

1.5 提高热电优值的方法

1.6 本文主要研究内容

第2章 试验材料及方法

2.1 试验材料及制备

2.2 结构表征

2.3 热电性能表征

2.4 力学性能测试

第3章 球磨时间对Si80Ge20B5组织结构和性能的影响

3.1 引言

3.2 Si80Ge20B5热电材料XRD图谱

3.3 Si80Ge20B5热电材料断口形貌

3.4 Si80Ge20B5热电材料的电输运特性

3.5 Si80Ge20B5热电材料试样的热输运特性

3.6 Si80Ge20B5热电材料无量纲热电优值

3.6 力学性能

3.7 热稳定性

3.8 本章小结

第4章 球磨时间对Si80Ge20P2组织结构和性能的影响

4.1 引言

4.2 Si80Ge20P2热电材料的XRD图谱

4.3 Si80Ge20P2热电材料的断口形貌

4.4 Si80Ge20P2热电材料的电输运特性

4.5 Si80Ge20P2热电材料的热输运特性

4.6 Si80Ge20P2热电材料的无量纲热电优值

4.7 力学性能

4.8 热稳定性

4.9 本章小结

第5章 温差电偶臂尺寸设计

5.1 引言

5.2 ANSYS有限元分析

5.3 温差发电器的主要性能参数

5.4 温差电偶臂尺寸设计

5.5 温差电偶臂尺寸对温差发电器性能参数的影响

5.6 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢