In和Ce雙摻n型Skutterudite化合物的合成及其熱電性能研究.pdf

1、熱電轉(zhuǎn)換材料作為一種環(huán)境友好的新能源材料，被認(rèn)為是21世紀(jì)非常有競爭力的能源替代介質(zhì)。方鈷礦化合物由于具有較大的載流子遷移率以及較大的Seebeck系數(shù)，被認(rèn)為是非常具有應(yīng)用前景的中溫?zé)犭姴牧?。但是由于其相對較高的熱導(dǎo)率使其熱電性能指數(shù)ZT值處于較低的水平，嚴(yán)重限制了其商業(yè)化應(yīng)用。
　　 本論文以n型填充式CoSb3基方鈷礦為研究主體，嘗試合成得到具有原位析出納米第二相的復(fù)合熱電材料，期望通過調(diào)控電性能的同時降低材料的晶格熱導(dǎo)率

2、，從而提高材料的熱電優(yōu)值。以In，Ce為摻雜元素，闡明不同摻雜元素在CoSb3化合物中的存在形式及其對微結(jié)構(gòu)和熱電性能的影響規(guī)律。主要研究內(nèi)容和研究結(jié)果如下：
　　 以In摻雜n型CoSb3基方鈷礦為研究對象，研究了In在填充式方鈷礦的存在形式，納米第二相InSb的穩(wěn)定性以及InSb含量的變化對微結(jié)構(gòu)及熱電性能的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明，In可以以填充形式存在于方鈷礦結(jié)構(gòu)中但是其填充形式存在是亞穩(wěn)態(tài)的且在適當(dāng)?shù)耐饨鐥l件下可以析出以

3、更穩(wěn)定的InSb化合物形式存在，但是In以填充原子存在時更能夠優(yōu)化化合物的熱電性能。同時也推斷在In填充量接近的情況下，InSb第二相能夠在通過注入電子從而提高化合物的電性能的同時通過納米分布對聲子進(jìn)行強(qiáng)烈的散射從而降低晶格熱導(dǎo)率，提高材料的熱電性能指數(shù)。研究結(jié)果還表明，隨著In含量的增加，InSb含量的增多，室溫下載流子濃度增大，電導(dǎo)率增大，Seebeck系數(shù)減小。InSb第二相在晶粒之間的晶界處的廣泛分布大大降低了InxCo4Sb1

4、2(x=0.1～0.4)方鈷礦化合物的晶格熱導(dǎo)率，提高了熱電性能。In0.35Co4Sb12化合物在溫度為800K時ZT值達(dá)到了1.16。另外將In0.35Co4Sb12化合物，在400℃分別退火7天和14天。退火后樣品晶粒尺寸較為均勻，且退火14天后的樣品內(nèi)由于亞穩(wěn)態(tài)填充式In在高溫驅(qū)使下從空洞中析出致使晶界處出現(xiàn)了更多絮狀分布的InSb納米第二相。在溫度為730K左右時，退火14天后的樣品出現(xiàn)了最大ZT值為1.22。
　　

5、在原位析出InSb納米第二相的n型In填充式方鈷礦的基礎(chǔ)之上，進(jìn)行Ce原子填充，形成了雙原子填充式方鈷礦，以期望對其電聲輸運(yùn)特性進(jìn)行調(diào)控，從而得到更為優(yōu)化的熱電性能。研究結(jié)果表明，Ce在方鈷礦的填充上限為0.11左右，且超過填充上限的Ce在方鈷礦中會形成CeSb第二相且分布在晶粒與晶粒之間的晶界處。Ce作為填充原子的引入，可以在提高化合物的電性能通過擾動降低化合物的晶格熱導(dǎo)率，從而優(yōu)化材料的熱電性能，Ce0.15Co4Sb12的樣品在溫

6、度為800K時取得最大ZT值0.97。采用同樣的方法合成了InxCe0.1Co4Sb12化合物，研究結(jié)果表明，當(dāng)In的摻雜量超過0.2時，化合物中出現(xiàn)了原位析出的InSb納米第二相以島狀形式分布在晶界處，且其含量隨著In含量的增加而增大。相比于InxCo4Sb12化合物，InxCe0.1Co4Sb12化合物具有更高的功率因子以及更低的晶格熱導(dǎo)率，說明Ce在InxCe0.1Co4Sb12化合物中確實能夠在提高電性能的同時降低熱導(dǎo)率，從而提