强磁场对β-Zn4Sb3块体材料微观组织与热电性能的影响

摘要

β-Zn4Sb3是一种极具应用前景的中温热电材料，相比于现役的中温热电材料PbTe而言，β-Zn4Sb3具有无毒性，成本低廉等优点。更重要的是，由于β-Zn4Sb3材料具有极低的热导率因此其热电性能较好。目前而言，寻找一种能够有效地提高β-Zn4Sb3热电性能的方法仍是研究的热点。强磁场能够通过磁化力，洛伦兹力以及磁力矩改变材料的微观组织。因此，强磁场的施加有望显著影响材料的热电性能。所以本文通过强磁场下熔融缓冷的方法制备了β-Zn4Sb3块体材料，探究了强磁场对β-Zn4Sb3微观组织与热电性能的影响。
　　本文测试了β-Zn4Sb3材料的热电性能（Seebeck系数，电阻率，热导率，载流子浓度以及载流子迁移率），并通过XRD、SEM-EDS以及HR-TEM检测对所制备的块体材料的相组成和微观组织进行了分析。此外，通过DSC和Rietveld精修考察了强磁场对β-Zn4Sb3晶体结构中Zn空位的影响。主要得到以下结论:
　　(1)强磁场对β-Zn4Sb3材料热电性能的影响:强磁场下制备的样品具有较低的电阻率、Seebeck系数和热导率以及较高的载流子浓度。当磁感应强度为B=8.8T时，样品在673 K达到最大的ZT值（ZTmax=0.97）。相比于无磁场条件下制备的样品(ZTmax=0.88)，强磁场可以使得样品的最大ZT值提高10％。
　　(2)强磁场对β-Zn4Sb3材料微观组织的影响:无磁场条件下制备的样品存在弥散分布的纳米空洞。当施加磁场时，材料中的纳米空洞消失。不仅如此，在晶界和晶粒内部分别析出了富Zn和富Sb的纳米颗粒。该富Zn纳米颗粒的析出导致晶粒内部Zn缺乏，DSC和Rietveld精修结果表明强磁场的施加导致材料晶体结构中的Zn空位增多。
　　(3)β-Zn4Sb3材料微观组织与热电性能的联系:对于强磁场下制备的样品而言，由于富Zn纳米颗粒在晶界处析出导致晶界处的载流子浓度明显高于晶粒内部的载流子浓度。所以载流子会从晶界处向晶粒内部进行注入，从而造成材料载流子浓度的升高，此外，由于Zn空位是造成材料p型导电的主要原因，所以其含量大小能够显著影响材料的载流子浓度。结合上述DSC和Rietveld精修结果可知:强磁场通过增加材料中Zn空位从而导致载流子浓度的增大。不仅如此，Zn空位也是材料晶体结构中的一种点缺陷，该点缺陷能够有效的散射声子。所以，Zn空位的增多可以显著地降低材料的热导率。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 热电效应及热电性能参数

1．1．1 热电效应

1．1．2 热电性能参数

1．1．3 热电参数的耦合

1．2 热电材料及其研究方向

1．2．1 热电材料概述

1．2．2 热电材料研究现状

1．3 β-Zn4Sb3热电材料

1．3．1 β-Zn4Sb3热电材料研究背景

1．3．2 β-Zn4Sb3热电材料研究现状

1．4 强磁场下材料的制备

1．4．1 强磁场对材料微观组织的影响

1．4．2 强磁场下热电材料的制备

1．5 本论文的选题意义与研究内容

第2章 实验方法

2．1 实验装置

2．1．1 强磁场装置

2．1．2 加热炉装置

2．2 实验过程

2．2．1 母合金制备

2．2．2 强磁场下凝固实验

2．3 组织与性能检测

2．3．1 微观组织检测

2．3．2 热电性能检测

第3章 强磁场对β-Zn4Sb3材料热电性能的影响

3．1 强磁场对β-Zn4Sb3材料电学性能的影响

3．1．1 Seebeck系数

3．1．2 电阻率

3．1．3 功率因子

3．1．4 霍尔系数

3．2 强磁场对β-Zn4Sb3材料热学性能的影响

3．3 强磁场对β-Zn4Sb3材料热电优值的影响

3．4 本章小结

第4章 强磁场对β-Zn4Sb3材料微观组织的影响

4．1 强磁场对β-Zn4Sb3材料相组成的影响

4．1．1 XRD检测

4．2 强磁场对β-Zn4Sb3材料微观组织的影响

4．2．1 SEM检测

4．2．2 HR-TEM检测

4．3 强磁场对β-Zn4Sb3材料晶体结构的影响

4．3．1 DSC检测

4．3．2 Rietveld精修

4．4 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

个人简历