组合材料学在筛选和优化Ge-Sb-Te基热电材料中的应用

摘要

由于能源短缺问题和化石能源燃烧造成的环境污染问题日益严重，热电转换技术作为一种环境友好型的能源技术而受到广泛关注，目前开发性能优异，价格低廉的新型热电材料是国际热电领域高度关注的重要研究方向。材料研究的常用方法是一次制备一个成分的样品，而组合材料学则为一次研究一个成分体系，通过高通量的制备结合高通量的表征技术可快速获得材料组成-结构-性能之间的联系，大大提高单次实验能获得信息的密度和效率，从而极大的缩短新材料和产品的研发周期，组合方法已广泛应用于催化、制药和发光材料等领域，但组合材料学在热电材料的研究还较少报道。 本论文将拓展组合材料学在热电材料研究领域中的应用，提供一种快速、高效和低成本的筛选和优化热电材料的新途径。本论文以Ge-Sb-Te基化合物体系为研究对象，探索了熔融法和等离子体活化烧结法等方法，制备组成和结构丰富多样的块体热电材料组合样品库的可能性，进而通过对组合样品库中不同微区化学组成、晶体结构和热电性能的分析，揭示材料的组成-结构-性能之间的关系，实现筛选出热电性能优异的Ge-Sb-Te基新化合物的目的。论文的主要研究内容和结论如下： 采用高温熔融结合退火制备了Ge-Sb-Te组合样品库，并用Seebeck系数扫描探针显微镜（PSM）对其Seebeck系数分布进行高通量表征。样品库中包含多个已知物相和可能存在的新物相，达到了组合样品库多样化的目的。采用PSM设备进行了Seebeck系数的高通量表征，并确定了该样品在微区Seebeck系数测试过程中存在的问题。 采用等离子体活化烧结、热锻和退火等方法制备了致密的GeTe-Sb2Te3二元扩散偶，解决了由于熔融样品致密度低而出现的测试误差大的问题。通过控制保温时间、温度和压力等参数以获得成分和结构多样的样品库。对扩散偶界面上不同微区化学组成、晶体结构和热电等性质的分析，构建了组成-结构-性能之间的关系，成功筛选出了热电性能优异的Ge-Sb-Te基化合物新化合物。样品库中最优Seebeck系数对应的最佳成分接近Ge33.1Sb13.7Te53.2。 按筛选出的高性能化合物的元素配比，采用熔融-烧结法制备块体材料，并对其物相、微结构分析及电热输运性能测试，我们发现Ge42.7Sb5.5Te51.8、Ge38Sb10.3Te51.7、Ge36.5Sb11.2Te52.3（Sb含量相对较低）表现出类似于GeTe的晶体结构和电热输运特性，Ge27Sb19.3Te53.7、Ge20Sb25Te55及Ge15.5Sb28Te56.5高Sb含量组分表现为包含Ge2Sb2Te5和Ge0.95Sb2Te4等物相的复相材料。分析结果表明， Sb含量的变化能显著影响材料的晶体结构及电热输运性能。其中， Ge38Sb10.3Te51.7在所制备样品中表现出最优异的热电性能，在773 K时ZT取得最大值1.35。

目录

声明

第1章 前 言

1.1 热电材料研究的背景及意义

1.2 组合材料学简介

1.3 组合材料学在热电材料研究中的应用

1.4 Ge-Sb-Te基热电材料的研究现状

1.5 论文选题的意义和主要研究内容

第2章 研究方法与实验设备

2.1 组合合成方法实验设计

2.2 组合材料样品库的合成及制备设备

2.3 组合材料样品库的高通量表征设备

2.4 块体材料热电性能的表征设备

第3章 熔融法制备Ge-Sb-Te样品库及高通量表征方法的探索

3.1 引言

3.2 熔融法制备Ge-Sb-Te样品库及其高通量表征

3.3 熔融法结合退火工艺制备Ge-Sb-Te扩散偶及其表征

3.4 本章小结

第4章 等离子活化扩散法制备Ge-Sb-Te样品库及高通量表征方法探索

4.1 引言

4.2 单次等离子活化扩散法结合退火工艺制备Ge-Sb-Te扩散偶及其高通量表征

4.3 热锻法结合退火制备Ge-Sb-Te扩散偶及其表征

4.4 多次等离子活化扩散法制备Ge-Sb-Te扩散偶及其高通量表征

4.5 本章小结

第5章 Ge-Sb-Te最优性能组分筛选结果的验证

5.1 引言

5.2 Ge-Sb-Te最优性能组分样品的合成与制备

5.3 Ge-Sb-Te化合物的热电性能研究

5.4本章小结

第6章 结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文、参加会议和专利申请情况

致谢