P型BiSbTe纳米热电材料的制备结构与性能

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ZJ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。 本论文以p型Bi<,0.5>Sb<,1.5>Te<,3>热电材料为研究对象，采用单辊急冷技术结合放电等离子体烧结技术制备了具有精细纳米结构的块体材料，利用场发射扫描电镜(FESEM)和高分辨透射电镜(HRTEM)对Bi<,0.5>Sb<,1.5>Te<,3>薄带微结构和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。 利用单辊急冷法制备了具有精细纳米结构的Bi<,0.5>Sb<,1.5>Te<,3>薄带材料，由于冷却过程中过冷度的差异导致接触面和自由面的形态显著不同，自由面上的晶体呈枝状，枝晶相互交叠构成多孔结构，接触面相对光滑。结合薄带接触面和自由面的能量分散X射线分析表明薄带的成分有着微小的波动。利用HRTEM观察到Ribbon-10薄带中存在着尺度在5～15 nm左右的纳米晶，在纳米晶的周围存在着非晶态的Te单质。 相比于区熔块体的高取向性，SPS烧结得到的块体材料的取向性并不明显，晶粒取向随机分布。经过单辊急冷处理的样品层状结构的尺度分布在20～50 nm左右，与区熔块体相比，层状结构的尺度有大幅度的降低。HRTEM观察表明在SPS-10样品中存在着更为精细的纳米结构，纳米晶的尺寸大约为5～10 nm，并且在结构中存在着大量的晶格畸变与缺陷。 SPS烧结样品的电导率均低于区熔样品的电导率，Seebeck系数均比区熔样品大，且随着单辊急冷过程中冷却速率的增加，样品的Seebeck系数逐渐增加。单辊急冷样品总的热导率远低于区熔样品，且随着冷却速率的增加，热导率进一步减小。由于单辊急冷技术处理所引入的纳米结构和缺陷增强了结构中的声子散射，从而显著的降低材料的晶格热导率。在电导率降低幅度不大、材料总热导率以及晶格热导率大幅度降低的情况下，经过单辊急冷处理的样品均获得较高的热电优值。在温度为300 K时样品SPS-10获得最大的热电优值ZT为1.20。在相同温度下，相比区熔样品，SPS-10的热电优值增加了70％。

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

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

1.3热电材料的研究进展

1.3.1传统热电材料

1.3.2新型热电材料

1.3.3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章实验方法

2.1样品的制备

2.1.1单辊急冷法制备薄带样品

2.1.2放电等离子体烧结技术制备块体材料

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

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

第3章Bi0.5Sb1.5Te3薄带的制备及结构表征

3.1Bi0.5Sb1.5Te3薄带的制备

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薄带的成分分析

3.2.4薄带的精细显微结构分析

3.2.5薄带纳米晶的生长机理

3.3本章小结

第4章Bi0.5Sb1.5Te3块体材料的结构表征

4.1引言

4.2Bi0.5Sb1.5Te3块体材料制备和相组成

4.3块体材料的断面形貌表征

4.4块体材料的微观结构表征

4.4.1纳米晶结构

4.4.2晶格畸变与缺陷

4.5本章小结

第5章单辊急冷结合SPS烧结技术制备Bi0.5Sb1.5Te3块体材料的热电性能

5.1引言

5.2冷却速率对材料电传输性能的影响

5.2.1室温电传输性质

5.2.2电导率和Seebeck系数

5.3冷却速率对材料热传输性能的影响

5.4冷却速率对材料热电优值ZT的影响

5.5本章小结

第6章结论

参考文献

硕士期间发表论文和申请专利情况

致谢