BaCu2Se2和BiCuSeO熱電材料的摻雜及織構(gòu)化改性.pdf

1、BaCu2Se2和BiCuSeO具有較低的熱導(dǎo)率和較高的Seebeck系數(shù)，是兩種極具應(yīng)用潛力的p型銅硫族化合物熱電材料，但這兩種材料電導(dǎo)率較低，導(dǎo)致ZT值較小，因而提高ZT值成為其實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵。本文主要采用元素?fù)诫s和織構(gòu)化提高BaCu2Se2和BiCuSeO的電導(dǎo)率，提高ZT值。采用X射線衍射儀、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、Hall效應(yīng)測(cè)試儀、Seebeck系數(shù)/電導(dǎo)率綜合測(cè)試系統(tǒng)和激光熱導(dǎo)儀等研究BaCu2Se2中Na摻雜和A

2、g摻雜以及BiCuSeO中Ba摻雜、S摻雜和熱鍛織構(gòu)化對(duì)微觀組織結(jié)構(gòu)、輸運(yùn)特性和熱電性能的影響規(guī)律和機(jī)制。
　　采用Na和Ag摻雜分別提高BaCu2Se2的載流子濃度和遷移率，以提高電導(dǎo)率，提高ZT值。隨Na摻雜量增加，Ba1-xNaxCu2Se2的載流子濃度大幅度增大，電導(dǎo)率（σ）顯著提高，Seebeck系數(shù)（S）減小，導(dǎo)致功率因子（PF=S2σ）先升高后降低，在x=0.075時(shí)達(dá)到最高，773K時(shí)為8.1μWcm-1K-2。隨

3、Na摻雜量增加，晶格熱導(dǎo)率（κlat）略有降低，電導(dǎo)率的提高使電子熱導(dǎo)率（κele）增大，導(dǎo)致總熱導(dǎo)率（κtot）增大。根據(jù)ZT=（S2σ/κtot）T，ZT值先升高后降低，在x=0.075時(shí)達(dá)到最大，773K時(shí)為1。適量Ag等電位取代BaCu2Se2中的Cu提高了載流子遷移率，提高電導(dǎo)率和功率因子，改善其熱電性能，使室溫ZT值由0.018提高至0.034。
　　采用Ba摻雜提高BiCuSeO的載流子濃度，以提高電導(dǎo)率，提高ZT值

4、。Ba摻雜量增加，Bi1-xBaxCuSeO的載流子濃度大幅度增加，使電導(dǎo)率顯著提高，而Seebeck系數(shù)減小，導(dǎo)致功率因子在Ba摻雜量為x=0.125時(shí)出現(xiàn)峰值，在923K為6.33μWcm-1K-2。電導(dǎo)率的提高使電子熱導(dǎo)率增大；同時(shí)Bi與Ba的原子質(zhì)量和離子尺寸波動(dòng)加重晶格畸變，增強(qiáng)聲子散射，使晶格熱導(dǎo)率減小，并且κele增加幅度大于κlat，因此總熱導(dǎo)率增大。最終，隨Ba摻雜量增加，ZT值先升高后降低，x=0.125時(shí)ZT值在9

5、23K達(dá)1.1。Bi1-xBaxCuSeO經(jīng)923K保溫1周后熱電性能無(wú)變化，呈現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。
　　在Ba重?fù)诫s改性BiCuSeO基礎(chǔ)上，利用其各向異性特點(diǎn)，通過(guò)熱鍛構(gòu)建織構(gòu)，提高載流子遷移率，提高電導(dǎo)率（σ=nμe），進(jìn)一步改善熱電性能。隨熱鍛次數(shù)增加，垂直于壓力方向的載流子遷移率（μ⊥）、電導(dǎo)率（σ⊥）和熱導(dǎo)率（κ⊥）升高，而平行于壓力方向的對(duì)應(yīng)值均降低。特別指出，Seebeck系數(shù)不因熱鍛次數(shù)增加而改變。隨熱鍛次數(shù)增加，

6、σ⊥/κ⊥增大，σ∥/κ∥減小，因此三次熱鍛后ZT⊥值提高，923K時(shí)達(dá)1.4。
　　采用S摻雜，降低BiCuSeO的成本，同時(shí)降低熱導(dǎo)率。在x=0~1范圍內(nèi)，BiCuSe1-xSxO可形成近純相固溶體。隨著S替代量增加，BiCuSe1-xSxO的晶格常數(shù)線性減小，符合Vegard定律。第一原理計(jì)算表明，在BiCuChO（Ch=S、Se）中，Cu-Ch鍵的共價(jià)性較強(qiáng)，連接(Bi2O2)2+層與(Cu2Ch2)2-層的Bi-Ch鍵離