p-型PbTe基合金的制备与热电性能研究

摘要

铅的硫族化合物PbX(X=Te、Se、S)具有相似的晶体结构和能带结构，也是目前性能最好的中温区热电材料，具有结构简单、容易制备以及稳定性好等特点，近年来受到广泛关注。但目前的研究大多针对伪二元合金体系，而且高性能都是从小块试样中获得，很少有人制备大块试样重现高性能并研究其分布规律。针对这些问题，本文选取了合适的伪二元基体进行掺杂优化，分别在Pb位进行Mg取代和在Te位进行Se和S取代，并制备了～200g试样，取得如下主要成果:
　　1.选取伪二元PbTe0.8Se0.2合金作为基体，进行不同Na含量掺杂来研究载流子浓度对材料热电性能影响，发现优化载流子浓度可以有效降低高温下的本征激发对热导率的贡献以及抑制少子对Seebeck系数的不利影响，并确定其最优掺杂浓度为2％Na，试样zT在800K可以达到～1.7。
　　2.对最优掺杂的PbTe0.8Se0.2固溶体进行Mg合金化，研究Mg合金化在降低热导率和能带调整方面的作用。研究发现Mg可以有效的降低PbTe0.8Se0.2合金的晶格热导率，部分试样在800K时接近理论最低热导率;Mg合金化会降低低温范围的电导率，但在600K以上电导率相差不大;Mg合金化增大了禁带宽度，可以有效抑制本征激发，获得较高的Seebeck系数。在Mg含量为6％和8％时，其zT在800K可以达到～2.2。
　　3.在小块Mg合金化的试样获得高性能的同时尝试制备了～200g的大块试样，通过测试表征发现:不论在径向还是轴向，热电性能分布没有明显差别，在同一截面的边缘和内部也没有明显区别。大块试样zT在800K可以达到1.7～2.2。
　　4.在最优掺杂的PbTe0.8Se0.2固溶体基础下进行PbS合金化，研究了在固定PbSe含量为20％，改变PbTe和PbS比例时材料热电性能发现PbS对于热电性能影响不大，所有试样zT在800K可以达到1.7～1.8;随后对伪三元合金PbTe0.7Se0.2S0.1进行Mg合金化，研究发现Mg对试样热电性能影响也不显著;固定PbTe含量为80％，改变PbSe和PbS比例，研究发现改变Se和S的比例对试样的热导率影响不大;PbS的含量大于10％时的试样在600K以上，电导率和Seebeck系数都会出现一个平台，zT可以显著提高，在800K可以达到～2.0左右。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 热电研究背景

1．1．1 三种效应

1．1．2 热电器件及应用

1．1．3 材料热电输运特性

1．2 提高材料热电性能的方法

1．3 PbTe基热电材料

1．3．1 PbTe基材料的基本性质

1．3．2 能带工程

1．3．3 纳米结构

1．4 本文研究内容和思路

第二章 实验设备与方法

2．1 实验材料和设备

2．2 试样制备流程

2．3 试样表征手段

2．3．1 物相结构表征

2．3．2 材料微观形貌观察

2．3．3 热导率测试表征

2．3．4 电学性能测试表征

2．3．5 霍尔测试

第三章 PbTe0．8Se0．2合金的载流子浓度优化

3．1 不同Na含量的试样制备

3．2 结构表征

3．3 载流子浓度对热电性能影响

3．4 本章小结

第四章 PbTe0．8Se0．2固溶体的Mg合金化和大块试样制备

4．1 Na0．0zMgxPb0．98《Te0．8Se0．2的制备与结构表征

4．2 Mg合金化对热电性能的影响

4．3 大块试样的制备与zT分布研究

4．3．1 大块试样的SPS制备

4．3．2 大块试样的热电性能

4．4 本章小结

第五章 伪三元PbTe1-x-ySexSy合金的热电性能研究

5．1 PbTe0．8-xSe0．2Sx合金热电性能研究

5．1．1 PbTe0．8-xSe0．2Sx合金制备与结构表征

5．1．2 PbTe0．8-xSe0．2Sx合金的热电性能

5．2 Mg合金化对PbTe0．7Se0．2S0．1合金热电性能影响

5．3 PbTe0．8Se0．2-xSx合金热电性能研究

5．3．1 PbTe0．8Se0．2-xSx合金制备与结构表征

5．3．2 PbTe0．8Se0．2-xSx合金热电性能

5．4 本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢

个人简历

攻读学位期间发表的学术论文