Mg2(Si,Sn)合金的固溶限、点缺陷和热电性能

摘要

Mg2(Si，Sn)基合金热电材料具有成本低廉、环境友好等特点，是一类本领域同行广泛关注的新型绿色热电材料。但相比较目前性能最佳的热电材料而言，这个体系还存在制备困难、固溶限尚未确定、晶格热导率偏高、P型材料的性能太低等问题。本文重点研究了Mg2(Si，Sn)合金的固溶限、点缺陷和热电性能，取得如下主要成果:
　　（一）确定了不同制备方法下Mg2Si1-xSnx合金材料中的固溶区间。本文采用助熔剂法和钽管封装法制备了Mg2Si1-xSnx(x=0.2，0.4，0.5，0.6，0.8)的合金试样，根据XRD和EPMA分析，确定了Mg2Si-Mg2Sn合金材料在不同制备方法下的固溶限。研究发现Mg2Si1-xSnx材料中存在Mg空位和间隙Mg等点缺陷，点缺陷Mg空位的存在导致了第二相的产生，并对材料的热电性能有着显著的影响。
　　（二）在Mg2Si0.4Sn0.6-xSbx体系中提出了点缺陷工程的概念。为了在保持电性能的前提下降低Mg2Si1-xSnx合金材料的晶格热导率，本文首次通过大量掺杂Sb和调节Mg含量，控制Sb掺杂原子、Mg空位和间隙位Mg原子三种点缺陷在合金材料中的协调作用，有效降低了晶格热导率并同时优化了载流子浓度，显著提升了材料的热电性能。研究发现，Mg2Si0.4Sn0.6-xSbx体系中，Mg空位和间隙位Mg原子可以稳定共存，通过调整Sb和Mg含量可以在一定范围内控制Mg空位和间隙位Mg原子浓度。Mg空位是一种有效的声子散射中心，对降低材料声子熟导率具有显著作用。通过添加Zn，可以调节材料电子结构、优化材料电学性能。Zn掺杂Mg2Si0.4Sn0.5Sb0.1的ZT值在750 K达到1.1以上。
　　（三）通过受主掺杂和赝三元合金化提高P型Mg2X(X=Si，Ge，Sn)合金的热电性能。研究发现，Ag是一种比B更有效的受主杂质。通过控制材料中间隙Mg原子含量、减少材料的少子浓度，将材料的热电优值提高了35％。对Mg2(Si0.33Ge0.33 Sn0.33)和Mg2(Si0.2Ge0.2Sn0.6)两个赝三元合金体系的高温霍尔测试结果表明，两个体系中电子/空穴迁移率的比值相差不大，但是Mg2(Si0.33Ge0.33Sn0.33)的电导率和热导率具有相对优势，更适合作为P型掺杂的基体。Ag掺杂Mg2(Si0.33Ge0.33Sn0.33)的ZT值达到0.4左右，是至今报道的P型Mg2Si基材料热电性能的最高值。

目录

声明

摘要

第一章 前言

1．1 热电学研究背景

1．1．1 热电学发展历史

1．1．2 热电器件与工业应用

1．1．3 热电学固体传输理论

1．2 热电学与热电材料的研究进展

1．2．1 几种重要的热电材料体系

1．3 Mg2X(X=Si，Ge，Sn)基热电材料以及研究进展

1．3．1 Mg2X(X=Si，Ge，Sn)基热电材料的基本性质

1．3．2 Mg2X(X=Si，Ge，Sn)基热电材料的研究进展

1．4 本论文的研究思路以及内容

第二章 实验设备与方法

2．1 实验材料和设备

2．2 材料的制备流程

2．3 材料的表征手段

第三章 Mg2(Si，Sn)合金材料的固溶限与热电性能

3．1 引言

3．2 Mg2(Si，Sn)合金材料固溶限和微观结构

3．3 Mg2(Si，Sn)合金材料的热电性能

3．4 不同制备方法得到的Mg2Si1-xSnx合金的性能比较

3．5 本章小结

第四章 Mg2Si1-xSnx合金材料中的点缺陷工程

4．1 引言

4．2 Mg2(Si，Sn)／Mg3Sb2复合材料中的点缺陷研究

4．2．1 Mg3Sb2热电材料的基本物理性能

4．2．2 Mg2Si0．4Sn0．6／MgsSb2复合材料的热电性能

4．2．3 Mg2Si0．4Sn0．55Sb0．05／Mg3Sb2复合材料的热电性能

4．3 Mg2Si0．4Sn0．6-xSbx材料中的点缺陷研究

4．3．1 Mg2Si0．4Sn0．6-xSbx材料中空位产生机理的探讨

4．3．2 点缺陷对Mg2Si0．4Sn0．6-xSbx材料热电性能的影响

4．3．3 Mg2Si0．4Sn0．6-xSbx材料中共存点缺陷的热稳定性研究

4．4 Zn掺杂的Mg2Si0．4Sn0．5Sb0．1材料的热电性能

4．5 本章小结

第五章 P型Mg2X(X=Si，Ge，Sn)基热电材料的性能改善

5．1 引言

5．2 P型Mg2X(X=Si，Ge，Sn)基热电材料的基本物理性能

5．3 B掺杂的Mg2Ge0．4Sn0．6基热电材料

5．4 Ag掺杂的Mg2Ge0．4Sn0．6基热电材料

5．5 赝三元Mg2X(X=Si，Ge，Sn)合金P型热电材料

5．5．1 赝三元Mg2X(X=Si，Ge，Sn)合金材料成分的选择

5．5．2 赝三元Mg2-xAgx(Si0．33Ge0．33Sn0．33)合金材料的热电性能

5．6 总结

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成果