Cu4Sn7S16基半导体化合物结构及热电性能研究

摘要

Cu4Sn7S16是一种典型的Cu-Sn-S系列三元化合物，晶体结构为斜方六面体结构，空间群为R-3m。实验证明，晶体结构中有四面体和八面体两种位置结构，Cu+离子分别占据了3/4的四面体位置和1/8的八面体位置；Sn4+离子占据了7/8的八面体位置。因此，剩余的1/4的四面体位置未被Cu离子占据。本论文主要研究在Cu4Sn7S16基半导体材料中加入过量的Sn或Cu元素后Sn或Cu原子在1/4四面体Cu原子空位处的占位情况，并研究占位后的结构及热电性能变化，主要研究成果总结如下：
　　1、在Cu4Sn7S16材料中加入过量的Sn元素，发现部分Sn原子以施主Sn2+进入Cu空位，导致费米能级（Fr）钉扎作用消失，使得费米能级由价带进入导带。因此当Sn含量增加到x=0.5时材料的载流子浓度增加了两个数量级。晶格热导率?L却随着Sn含量的增加而降低。最终，Sn过量材料Cu4Sn7.5S16的最高ZT值（在863 K时ZT值为0.41）是本征材料Cu4Sn7S16最高ZT值（在853 K时为0.2）的两倍。
　　2、在Cu4Sn7S16材料中加入过量Cu元素，发现当Cu含量增加到x=0.2时，材料的禁带宽度从0.94 eV下降至0.85 eV，载流子浓度增加了两个数量级，晶格热导率?L随着Cu含量的增加而降低。最终，掺杂材料Cu4.2Sn7S16最高ZT值（在893 K时ZT值为0.3）是本征材料Cu4Sn7S16最高ZT值（在853 K时为0.2）的1.5倍。
　　3、采用Se替换Cu4Sn7.5S16中的S元素，我们制备了Cu4Sn7.5S16-xSex，发现当Se含量增加到x=1.0时，材料Cu4Sn7.5S15Se的最高ZT值为0.45，比Cu4Sn7.5S16的最高ZT值0.41提高了近10%。

目录

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 热电效应及性能参数

1.3 热电材料的应用

1.4 热电材料的分类和发展现状

1.5 热电材料未来展望

1.6 Cu-Sn-S系列材料的研究现状

1.7 本论文主要研究内容

第二章 实验

2.1 原材料及实验设备

2.2 实验流程

2.3 材料性能测试与表征

第三章 Sn过量的Cu4Sn7S16基半导体热电材料结构与性能

3.1 引言

3.2 实验方法

3.3 材料性能表征

3.4 结论

第四章 Cu过量的Cu4Sn7S16基半导体热电材料结构与性能

4.1 引言

4.2 实验方法

4.3 实验结果与讨论

4.4 小结

第五章 Se替换S后元素Cu4Sn7.5S16半导体热电材料的性能研究

5.1 引言

5.2 实验方法

5.3 实验结果

第六章 结论

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文