旋甩法制备VI-IV族高性能热电材料研究

摘要

在碳基能源大量消耗而导致环境问题越来越严重的今天，人们意识到能源危机的到来将给人类的生活带来致命的影响，因此世界各国科研人员都致力于开发清洁的新能源以替代不可再生的化石燃料。热电材料能够直接将热能转化为电能，被认为是解决上述问题的方案之一。热电装置具有零排放、稳态运行周期长、无运动部件、能在极端情况下工作等优点，在发电和制冷方面具有广阔的应用前景。目前已在航空航天、微电子等领域有初步的应用，但其大规模的应用并没有普及性，这是因为热电器件的效率转换仍远不及工业应用的要求，所以探索寻找高性能热电材料仍是研究人员需要攻克的难题。在中温区热电材料中，其代表性的候选材料有PbTe及其合金，CoSb3方钴矿和Mg基合金，其特性是在带隙边缘附近有多个小能量偏移(ΔE)的子带。在以往的热电研究中中，p型Ⅳ-Ⅵ族半导体是被认为是最有潜力的，并在室温以上表现出优异的性能。大多数Ⅳ-Ⅵ族热电材料为立方结构，其高zT的实现是由于在高温下的轻重带之间发生简并。由于其优异的热电性能，PbTe和其合金被认为是Ⅳ-Ⅵ族半导体中最重要的热电材料。但可惜的是，由于其本身含有Pb这一有毒元素导致在实际应用上受到限制，并且对环境也有威胁，所以需要寻找它的替代物。在其类似化合物中，GeTe和SnTe由于能带结构与PbTe类似被广泛关注起来。　　本研究以GeTe和SnTe两种化合物为研究对象，采用自制的熔体旋甩仪器制备化合物Ge0.9Sb0.1Te1+x和Sn1-x-yBixInyTe，着重讨论过量Te元素对GeTe基材料热电输运性质的影响；深入研究旋甩技术带来的微观结构对其电、热性能的影响机理；研究对比了熔体旋甩中不同技术参数对SnTe基样品微观结构、热电性能的影响；讨论分析Bi及In共掺对SnTe热电性能的提升及其原因；最后得到GeTe基和SnTe基最优的掺杂浓度比以及热电优值的明显提升。本文具体研究内容和结果如下：　　1. 采用熔体旋甩法结合热压法超快合成Ge0.9Sb0.1Te1+x化合物，同时增强Seebeck效率和降低热导率，提高了p型Ge0.9Sb0.1Te1+x化合物的热电性能。此外，熔体旋甩技术在晶体结构中引入大量不同尺度的微观结构，如细小的Ge析出物、孪晶和纳米结构，这些结构对降低热导率都做出贡献。最后我们获得的最优组份为Ge0.9Sb0.1Te1.03，在760 K时体系达到最高热电优值为1.9，以及在300 K到820 K之间获得平均zT值为1.2的优异性能，这与固相合成的GeTe基热电材料性能相比丝毫不逊色。结果说明，结合快速成型技术熔体旋甩法制备的Ge0.9Sb0.1Te1+x化合物对于p型热电材料能量转换的应用非常有吸引力。　　2. 采用非平衡熔体旋甩技术结合热压技术，在1小时内快速合成SnTe化合物，对比不同的铜锟转速以获得最合适转速。研究表明，熔体旋甩产生的细化微结构对导热系数的降低有重要作用。与传统固相法合成需要长期退火来制备的母体SnTe样品相比，室温下熔体旋甩的母体SnTe样品导热系数降低了15%，约为6.8 W/m K, 热电优值提高了约10%，在900 K时能达到0.68。　　3. 为了进一步提高SnTe系统的电输运性能，引入了Bi和In元素，并证明通过Bi和In共掺杂提高电输运性能和降低导热系数可以实现热电性能的增强。通过优化载流子浓度和引入共振态，发现双掺杂可以在较宽的温度范围内提高Seebeck系数。此外，Bi和In合金化引入大量点缺陷和纳米颗粒以及旋甩技术创造的许多微尺度晶界导致热导率有非常明显的降低，这是由于缺陷和晶界增强了声子散射。最后在 Bi 和 In 共掺的协调作用下，获得了 zT 值在 900 K 为 1.26 的样品Sn0.9675Bi0.03In0.0025Te，其平均zT在300 K至900 K之间达到0.48。研究结果表明，熔体旋甩技术与掺杂相结合为提高SnTe基化合物的热电性能提供了一种新的策略。

目录

1 绪 论

1.1.1 热电效应及基本原理

1.1.2 热电器件及热电优值

1.1.3 影响材料热电性能的物理参数

1.2 提高热电性能的途径

1.2.1 电学性能的优化

1.2.2 热学性能的优化

1.3 本文选题背景

1.4 本论文的研究目的及主要研究内容

2 研究方法与实验设备原理

2.1.1 合成工艺流程

2.1.2 手套箱

2.1.3 自制熔体旋甩设备

2.1.4 热压烧结技术及设备

2.1.5 材料加工设备

2.2.1 物相组成分析

2.2.2 微观结构分析

2.3.1 电学性能测试

2.3.2 热学性能测试

2.3.3 Hall系数测试

3 旋甩法超快制备Ge0.9Sb0.1Te1+x热电性能研究

3.1 引言

3.2 实验

3.3 结果与讨论

3.3.1Ge0.9Sb0.1Te1+x相组成分析

3.3.2Ge0.9Sb0.1Te1+x电热传输性能

3.4 本章小结

4 铋与铟共掺杂优化SnTe合金热电性能研究

4.1 引言

4.2 实验及计算

4.3 结果与讨论

4.3.1 通过熔体旋甩法优化母体SnTe热电性能

4.3.2 通过掺杂Bi增强SnTe热电性能

4.3.3 引入共振能级改变能带结构

4.4 本章小结

5 结论与展望

5.1 本文主要结论

5.2 展望

参考文献

附录

A 作者在攻读硕士期间发表论文目录

B. 学位论文数据集

致谢