P-型Cu-GA-Te基缺陷化合物结构及热电性能研究

摘要

CuGa3Te5和Cu2Ga4Te7都是具有缺陷的闪锌矿结构直接带隙半导体材料，带隙宽度分别为Eg=1.0eV(CuGa3Te5)和Eg=0.87eV(Cu2Ga4Te7)。该结构材料最大的特点是其内部存在有阴阳离子缺陷对（Ga+2Cu+2V-1Cu），金属Ga原子占据在Cu原子品格位置的反结构缺陷表示为Ga+2Cu，Cu原子空位用V-1Cu表示。这类缺陷对调控能带结构及热电性能具有巨大的潜力和空间，因此，我们考虑通过不同的元素替换来优化三元Cu-Ga-Te基半导体材料的热电性能，通过粉末冶金法、SPS烧结方法制备样品。主要研究结果总结如下:
　　1、制备CuGa3Te5三元合金，其直接带隙宽度约为1.0eV。在717K时，CuGa3Te5达到最高ZT值0.3。
　　2、通过在CuGa3Te5中用Sb原子非等电子替换Cu原子后，制备了Cu1-xGa3SbxTe5(x=0，0.02，0.1，0.2)，并研究其热电性能。替换后得到的固溶体具有相对较低的热导率。在701K时，Cu0.98Ga3Sb0.02Te5的ZT值达到最大值0.42，比本征状态下提高近40％。
　　3、采用Sb非等电子替换Cu2Ga4Te7三元合金中Cu原子，设计制备了Cu2-xGa4SbxTe7(x=0，0.05，0.1，0.2)化合物。在719K时，Cu1.95Ga4Sb0.05Te7的ZT值达到最大值0.41，比本征状态下提高近14％。
　　4、在Cu2Ga4Te7半导体材料中用Zn原子分别替换Cu原子和Ga原子后，制备了Cu2-xGa4ZnxTe7(x=0，0.05，0.1，0.2)和Cu2Ga4-xZnxTe7(x=0，0.05，0.1，0.2)系列材料，并研究了其热电性能。研究发现，当Zn元素分别替换材料中Cu和Ga后，费米能级EF附近的态密度(DOS)和有效质量增大，因此同温度下材料的Seebeck系数随着Zn含量的增加而变大。材料的禁带宽度Eg宽化，电导率随着Zn含量的增加而变小。同时，元素替换后由于空位浓度降低导致声子散射减弱，材料的品格热导率KL升高。在770K时，Zn元素同时替换Cu或Ga后的材料得到最大ZT值0.47，比本征情况下提高近22％。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 热电基础理论

1．2．1 热电效应

1．2．2 热电性能参数

1．2．3 热电应用及机理

1．2．4 热电转换效率

1．3 热电材料的种类及研究进展

1．3．1 传统热电材料

1．3．2 其它热电材料

1．4 最新研发的高性能热电材料

1．5 热电材料的制备方法

1．6 优化热电材料性能的途径

1．7 本论文选题背景及研究内容

1．7．1 选题背景

1．7．2 本论文主要研究内容

第二章 实验

2．1 实验流程

2．2 样品的合成和制备

2．2．1 样品制备

2．3 材料的性能表征

2．3．1 结构分析

2．3．2 其它物理性能测试

2．4 材料的热电性能测试

2．4．1 电学性能测试

2．4．2 热导率测试

第三章 CuGa3Te5三元缺陷化合物结构及其热电性能研究

3．1 前言

3．2 CuGa3Te5材料的制备

3．3 结果与讨论

3．3．1 微观结构分析

3．3．2 热电性能分析

3．4 小结

第四章 Cu1-xGa3SbxTe5材料的热电性能研究

4．1 引言

4．2 Cu1-xGa3SbxTe5材料的制备与表征

4．3 结果与讨论

4．3．1 微观结构分析

4．3．2 热电性能分析

4．4 小结

第五章 Cu2-xGa4SbxTe7材料的微结构及热电性能研究

5．1 引言

5．2 材料的制备与表征

5．3 结果与讨论

5．3．1 微观结构分析

5．3．2 热电性能分析

5．4 小结

第六章 Zn元素分别替换Cu2Ga4Te7材料中Cu元素和Ga元素后热电性能的研究

6．1 引言

6．2 材料的制备与表征

6．3 结果与讨论

6．3．1 微观结构分析

6．3．2 热电性能分析

6．4 小结

第七章 结论

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文