纳米结构p型(BiSb)Te材料制备及热电性能

摘要

碲化铋基化合物是研究最早，也是目前发展最为成熟的热电材料之一，广泛应用于制冷器件及低温区发电(200～400 K)。传统工艺(区熔法)所制备的碲化铋基化合物最大热电性能优值ZT为0.8～1。理论计算和实验结果均表明纳米结构可以大幅度的提高材料的热电优值。因此对于碲化铋热电材料的研究重点在于寻求新型制备工艺，以获得具有纳米结构的高性能热电材料。本文以区熔法制备的p型(Bi0.26Sb0.74)2Te3为起始原料，采用熔体旋甩技术和热处理工艺制备具有纳米结构的薄带材料，研究这种结构在热处理过程中的变化规律，并在此基础上结合放电等离子体烧结技术制备了具有纳米结构的块体材料，利用粉末XRD和场发射扫描电镜(FESEM)对薄带的相组成和微结构、块体材料的微结构进行了表征和分析，并测试了块体材料的热电性能，研究了微结构和材料热电性能之间的关系和规律。在上述规律性基础上通过Sb掺杂进一步提高材料的热电性能。 ㈠利用熔体旋甩法制备了具有纳米结构的p型(Bi0.26Sb0.74)2Te3薄带材料，由于薄带自由面和接触面冷却速率的差异，其微结构的差别显著。自由面为尺寸在500 nm左右的枝状晶，接触面为10～50 nm的纳米晶。熔体旋甩的薄带经65～300℃，10～60min热处理后，其自由面和接触面的微结构发生显著变化。与热处理时间相比，热处理温度对微结构的影响显著。 ㈡经过不同工艺热处理的薄带经SPS烧结所得样品的电导率和Seebeck系数相比未经热处理工艺直接SPS烧结得到的样品都发生了变化。由于热处理工艺所引入的纳米结构对声子的散射，显著降低材料的晶格热导率，从而降低了热导率。综合电性能和热性能，熔体旋甩处理再经热处理的薄带由SPS烧结制备的样品获得较高的热电优值。在温度为303 K时样品100℃-1Omin获得最大的热电优值ZT为0.96，相比直接烧结样品的热电优值增加了30％。在此基础上，进行Sb掺杂，进一步优化热电性能，掺杂量为2.0％的样品热电优值在303 K达到1.06。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章前言

1.1热电效应基本原理

1.1.1 Seebeck效应

1.1.2 Peltier效应

1.1.3 Thomson效应

1.2热电转换效率和热电性能指数及现状

1.2.1载流子传输特性

1.2.2热电材料热传导特性

1.2.3热电转换效率与热电性能指数

1.2.4提高热电材料性能的主要途径

1.3热电材料研究的最新进展

1.3.1热电材料的种类

1.3.2碲化铋基热电化合物的研究进展

1.4本论文选题的意义和主要研究内容

第2章研究方法和实验设备

2.1样品的制备

2.1.1熔体旋甩制备薄带样品

2.1.2旋转管式炉

2.1.3放电等离子烧结技术及设备

2.2样品的表征

2.2.1块体材料密度的测量

2.2.2材料物相分析与性能测试

2.2.3场发射扫描电子显微镜分析(FESEM)

2.2.4场发射透射电子显微镜分析(HRTEM)

2.2.5 Seebeck系数测试原理及其设备

2.2.6电导率的测试原理

2.2.7 Hall系数测试原理及设备

2.2.8热导率的测试原理及其设备

2.2.9晶体生长基本原理

2.2.10热处理过程晶体生长原理分析

第3章制备工艺对p型(Bi0.26Sb0.74)2Te3薄带相组成和微结构的影响

3.1p型(Bi0.26Sb0.74)2Te3薄带的制备及热处理工艺

3.2实验结果和讨论

3.2.1薄带的相组成

3.2.2薄带的形貌分析

3.2.3薄带晶粒的生长机理

3.3本章小结

第4章热处理结合SPS烧结技术制备p型(Bi0.26Sb0.74)2Te3块体材料的微结构表征及热电性能

4.1 SPS烧结工艺对块体材料微结构及热电性能的影响

4.1.1块体材料的致密度

4.1.2块体材料断面的微结构表征

4.1.3电导率和Seebeck系数

4.1.4热性能

4.1.5 ZT值

4.2热处理工艺对块体材料热电性能及微结构的影响

4.2.1块体材料截面的形貌表征

4.2.2电导率和Seebeck系数

4.2.3热性能

4.2.4 ZT值

4.3 Sb掺杂含量变化对块体材料热电性能的影响

4.3.1电导率和Seebeck系数

4.3.2热性能

4.3.3 ZT

4.4小结

第5章结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文