Mg2Si基热电材料性能优化及热电传输机制研究

摘要

Mg2Si基热电材料具有原料丰富、成本低廉和环境友好等优点，是一种极具研究价值的中温热电材料（450～800K）。纯Mg2Si晶格热导率较高，电性能差，其热电优值低于0.1。本文在SPB（Single Parabolic Band）理论模型的指导下，通过纳米复合和固溶掺杂来优化 Mg2Si的热电性能，并对其热电传输机制进行分析，主要研究内容和研究结果如下：
　　研究硅纳米线复合Mg2Si材料的热电性能。利用湿法刻蚀法制备SiNW（Silicon-Nanowire），并通过外混的方法制备了SiNW-Mg2Si复合热电材料。通过物相结构和热电性能表征研究了SiNW及Bi掺量对Mg2Si材料热电性能协同调控的作用。结果表明：SiNW的加入解除了本征Mg2Si材料电阻率与Seebeck系数之间的耦合关系，并降低了样品热导率，热电性能显著改善；Bi掺杂弱化了SiNW在本征Mg2Si材料中的能量过滤效应和对声子产生的散射作用，使得Seebeck系数和热导率变化幅度不明显。
　　探究 Mg2Si0.4Sn0.6-yBiy热电材料的热电传输机制。与传统制备Mg2Si1-xSnx固溶体的方法不同，本文以MgH2粉为原料，利用微波固相反应结合电场激活压力辅助合成法制备的Mg2Si0.4Sn0.6-yBiy（0≤y≤0.03）固溶体，结合SPB理论模型对其热电传输机制进行分析研究。结果表明：此制备方法可有效抑制MgO的生成，可获得片层间距为100nm的超细化学计量比产物；杂质Bi的引入可以有效增加载流子浓度，并引起晶格畸变，在晶格畸变和样品特有的纳米片层结构的协同作用下，声子得到有效散射，样品具有最低的热导率1.36Wm-1K-1，较低的有效掺杂率和复杂的能带结构虽减小了载流子的弛豫时间但有效增加了样品能带态密度有效质量，本征激发提前发生，600K时样品具有最大ZT值为0.66。

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第一章 绪 论

1.1热电材料研究背景

1.2热电材料性能优化方法

1.3 Mg2Si基热电材料研究现状

1.4本文主要研究内容和思路

第二章 实 验

2.1实验材料与仪器

2.2材料的制备过程

2.3材料的表征和分析方法

第三章 SiNW-Mg2Si热电材料及其传输机制研究

3.1引言

3.2实验方法

3.3实验结果与分析

3.4本章小结

第四章 Mg2Si0.4Sn0.6-yBiy热电材料的热电传输机制研究

4.1引言

4.2实验方法

4.3实验结果与分析

4.4本章小结

第五章 结论

参考文献

致谢

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