低热导纳米结构硒化锡材料制备及热电性能研究

摘要

热电材料是一种能够实现电能与热能之间直接相互转换的半导体功能材料，在发电和制冷等方面都有极大的应用前景。SnSe由于其优异的热电性能以及合成廉价和不含有毒元素等优点被认为是极具应用前景的热电材料。本文针对SnSe多晶块体热电材料性能进行了优化研究，采用水热合成技术制备得到了低热导纳米结构多晶SnSe，提出利用纳米结构和具有高电导率第二相对SnSe多晶材料电声输运进行协同调控的新思路，大幅提升了SnSe多晶块体材料热电性能。取得研究成果如下: 1.通过水热合成法制备了SnSe的多晶材料，通过调控材料晶粒度诱导产生立方岩盐结构相，设计得到新型含立方岩盐结构SnSe纳米材料，立方岩盐由于自身优异的电性能，使得材料的电导率和功率因子显著提高，SnSe材料中除了拥有着中等尺度晶粒外，也在晶粒上发现了许多的纳米析出相，这种结构大大增加了声子散射数目，从而声子散射加剧，降低了晶格热导率。使多晶SnSe热电材料的功率因子和晶格热导率协同优化，从而使得该种材料在温度为850K时沿着平行压力方向的ZT达到1.3，相较于报道的未掺杂多晶SnSe样品的性能提升了2倍以上。 2.利用水热合成的方法制备得到了相分离SnSe-PbSe材料，由于Pb和Sn的电负性差异，Pb掺杂提高了载流子浓度，且PbSe比SnSe具有更窄带隙和更高电导率，因此PbSe第二相有效提高了SnSe基体相的电导率和功率因子，并通过分层构架设计材料的微观结构，调控材料的声子输运过程，大幅降低了材料的热导率。最终通过协同调控优化材料的电声输运性能，使材料的热电优值ZT提升到1.7。 3.利用水热法制备掺杂Cu的SnSe样品，在高掺杂量的情况下，掺杂Cu的SnSe样品表现出非常大的抑制电性能的现象。但由于制备的掺杂Cu的SnSe样品存在在基体上形成纳米沉淀相的情况，从而形成了全尺度结构，以及Cu的引入导致大量的点阵缺陷，增加了声子散射，大幅的降低了其热导率，使材料的热电优值ZT提升到1.2。

目录

声明

摘要

1绪论

1．1课题的研究背景及意义

1．2热电效应及理论基础

1．2．1热电学历史

1．2．2热电效应

1．2．3热电性能表征参数以及热电传输理论

1．2．4热电性能优化途径

1．3 SnSe热电材料研究进展及介绍

1．3．2 SnSe电输运性能

1．3．3 SnSe热输运能力

1．4选题研究的目的以及内容

2实验部分

2．1引言

2．2实验原料和仪器

2．3实验流程

2．3．1放电等离子烧结(Spark Plasma Sintering)

2．3．2样品的切割制备

2．4样品表征

2．4．2扫描电子显微镜(Scanning Electron Microphone)

2．4．5透射样品电子背散射衍射(Transmission—Electron Backscattered Diffraction)

2．5样品性能测试

2．5．1电性能测试

2．5．2热性能测试

2．5．3室温载流子输运特性

3含立方岩盐矿相纳米SnSe材料的制备与热电性能研究

3．1引言

3．2物相分析

3．2．2 T-EBSD分析

3．2．3 TEM以及选区电子衍射花样分析

3．3电输运性能分析

3．3．1塞贝克系数

3．3．2电导率

3．2．3功率因子

3．4热输运性能

3．4．1总热导率

3．4．2晶格热导率

3．5热电优值ZT

3．6重复性测量结果

3．7垂直于压力方向的热电性能

3．8本章小结

4 SnSe-PbSe相分离材料的制备与热电性能研究

4．1引言

4．2物相分析和微观形貌分析

4．2．1 XRD分析

4．2．2 T-EBSD分析

4．3 SnSe-PbSe相分离材料电输运性能

4．3．1电导率

4．3．2塞贝克系数

4．3．3功率因子

4．4 SnSe-PbSe相分离材料的热输运性能

4．4．1总热导率

4．4．2晶格热导率

4．5 SnSe-PbSe相分离材料的热电优值

4．6较高性能样品垂直和平行压力方向性能比较

4．7重复性测量结果

4．8同种制备工艺未掺杂Pb与掺杂Pb样品对比

4．9本章小结

5 Cu掺杂纳米SnSe材料的制备与热电性能研究

5．1引言

5．2物相分析和微观形貌分析

5．2．1 XRD和SEM分析

5．2．2 TEM分析

5．3 CuxSn1-xSe的电输运性能

5．3．1电导率

5．3．2塞贝克系数

5．3．3功率因子

5．4 CuxSn1-xSe的热输运性能

5．4．1总热导率

5．4．2晶格热导率

5．5 CuxSn1-xSe的热电优值

5．6本章小结

6结论

致谢

参考文献

附录