Ni取代鐵基p型填充方鈷礦的制備和熱電性能研究.pdf

1、方鈷礦作為一種較為優(yōu)異的中溫區(qū)熱電材料，受到人們的普遍關注。本論文以Ni取代鐵基p型填充方鈷礦為研究對象，試圖從三個方面提高該體系的熱電性能。一是在Ce單原子填充的前提下，通過調(diào)控Ce的填充量以及Ni的取代量，優(yōu)化該體系的摻雜濃度，獲得優(yōu)異的電學性能和相對較低的熱導率以提高材料的熱電優(yōu)值；二是通過Ca、Ce雙原子復合填充結合Ni對Fe位的取代，分別使得體系具有低的晶格熱導率和載流子熱導率，期望在不明顯劣化電性能的前提下，通過降低材料的總

2、熱導率來獲得優(yōu)異的熱電性能；最后選取上述優(yōu)化了摻雜濃度獲得最優(yōu)電學性能的樣品，擬通過。MS+SPS技術細化晶粒，引入大量內(nèi)界面增強對熱傳輸聲子的散射進一步降低晶格熱導率從而提高材料的熱電性能。本論文的主要研究工作和結論如下：
　　 通過調(diào)整Ce的填充分數(shù)和Ni取代量調(diào)節(jié)了CeyFe4-xNxSb12體系的載流子濃度。研究表明，載流子濃度顯著影響著體系的電傳輸和熱傳輸性能。當體系摻雜濃度范圍為1.5～2.2×1020cm-3時，體

3、系具有最佳的電熱輸運性能。Ni對Fe位的取代并不會顯著改變材料的電輸運性質(zhì)，但是引入的合金化散射降低了載流子的遷移率，但對晶格熱導率的影響并沒有填充原子對晶格熱導率的影響顯著。在Ce部分填充時，體系具有較低的晶格熱導率。Ce0.91Fe3.89Ni0.11Sb12.19樣品具有最優(yōu)的ZT值，在800K時達到0.81。
　　 Ca/Ce雙原子復合填充比Ca和Ce單原子填充的純鐵基方鈷礦具有更高的功率因子和更低的品格熱導率，證明雙原

4、子填充是提高p型方鈷礦熱電性能的有效方法。但是該體系的載流子熱導率部分過高，特別是在決定方鈷礦熱電材料熱電優(yōu)值的中高溫段占了總熱導率的80％～90％，這是限制其熱電性能進一步提高的主要障礙。在固定Ca和Ce的填充分數(shù)均為0.5，保證體系具有低的晶格熱導率和高的功率因子的前提下，用Ni對Fe進行取代后，功率因子稍有降低，但體系的載流子熱導率得到大幅度下降，整體熱電性能得到了提高。Ca0.5Ce0.5Fe3.5Ni0.5Sb12樣品由于具有

5、適中的PF和低的κ具有最高的ZT值，在700K時達到0.85。
　　 采用MS+SPS技術快速制備了具有精細納米結構的單相p型填充式方鈷礦材料。與傳統(tǒng)方法相比，材料的平均晶粒尺寸得到大幅度降低。由于引入了高密度的內(nèi)界面，相同于傳統(tǒng)方法制備的樣品，加強了對載流子和聲子的散射，使得載流子遷移率和晶格熱導率都有所降低。采用MS+SPS工藝制備的Ce0.9Fe3.9Ni0.1Sb12化合物，相比于采用傳統(tǒng)制備方法而言，室溫下和800K時