Te基熱電材料制備與物性.pdf

1、熱電材料是一種利用固體內(nèi)部載流子在溫度或電位梯度場(chǎng)中的傳輸實(shí)現(xiàn)熱能和電能直接轉(zhuǎn)換的功能材料，在溫差發(fā)電和熱電制冷等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景。近10年來，由于環(huán)境污染問題、傳統(tǒng)能源枯竭及軍事應(yīng)用的需要，熱電材料的研究重新引起世界各發(fā)達(dá)國家的極大重視，也引起了我國的足夠重視。目前，PbTe基化合物是Te基熱電材料中中溫附近應(yīng)用的最好熱電材料之一，據(jù)報(bào)道其ZT可達(dá)2.2。最近Rhyee et al報(bào)道了半導(dǎo)體化合物In4Se3-

2、x在中溫附近具有很高的熱電優(yōu)值，通過在晶體中引入控制Se空位，單晶和多晶樣品In4Se3-x最大熱電優(yōu)值在705K和710K分別達(dá)到1.48和0.63。Shi et al.報(bào)道了多晶In4Te3在5-700K范圍內(nèi)的熱電性能。In4Te3基化合物引起了研究者的足夠的重視。制備核殼結(jié)構(gòu)的熱電材料有助于PbTe基化合物熱電性能的提高。通過替代或摻雜，實(shí)現(xiàn)對(duì)In4Te3基化合物晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)制，達(dá)到優(yōu)化其熱電性能的目的，預(yù)期獲得高性

3、能熱電材料。
　　 本文對(duì)PbTe基和In4Te3基進(jìn)行了研究。分別采用化學(xué)合成方法(沉淀法和水熱法)、表面包覆技術(shù)及熔體生長法制備PbTe基和In4Te3基化合物熱電材料，通過XRD，SEM和TEM等測(cè)試手段對(duì)合成粉末進(jìn)行成分、結(jié)構(gòu)及其形貌的分析。同時(shí)分別利用塊體材料的Peierls效應(yīng)、納米及量子尺寸效應(yīng)，對(duì)電聲輸運(yùn)性質(zhì)的進(jìn)行有效控制，從而優(yōu)化Te基熱電材料的熱電優(yōu)值。取得以下的主要成果：
　　 (1)用熔融-淬火-

4、退火工藝成功地制備了In4(Se1-xTex)3塊體材料，接著用機(jī)械球磨機(jī)磨成粉末，最后放電等離子體(SPS-1030)把粉末燒結(jié)成直徑為12mm和厚為2 mm的圓餅狀的多晶化合物(燒結(jié)溫度420℃，壓強(qiáng)為40 MPa)。制備過程中加入適當(dāng)過量的In有利于合成較純的單相化合物In4(Se1-xTex)3。當(dāng)In加入的量超過10％時(shí)，多晶化合物In4(Se1-xTex)3在In熔點(diǎn)附近電學(xué)性能發(fā)生突破。
　　 (2)在290K至6

5、50K的溫度范圍內(nèi)，測(cè)量了多晶化合物In4(Se1-xTex)3(含有少量的In)的電學(xué)性能和熱學(xué)性能，并分析了其熱電性能，結(jié)果表明Te替代能夠有效地降低熱導(dǎo)率，并保持良好的電學(xué)性能。In4Te3熱導(dǎo)率最低。
　　 (3)PbTe和PbS納米熱電材料粉末制備工藝得到優(yōu)化.，成本低，適于工業(yè)化生產(chǎn)。采用簡(jiǎn)單廉價(jià)的化學(xué)沉淀方法合成大范圍可控的納米顆粒PbTe(幾納米到幾百納米)，先采用溫和條件合成較小的納米顆粒PbTe(幾十納米)，

6、接著采用水熱法控制PbTe晶體生長，顆粒大小處于幾百納米，可以結(jié)合需要合成相應(yīng)完整并大小一定的基體，最后采用水熱表面包覆技術(shù)，合成核殼結(jié)構(gòu)PbS@PbTe。
　　 (4)采用水熱方法和化學(xué)方法合成不含雜質(zhì)和含有不同雜質(zhì)(Te，SnTe)的核殼結(jié)構(gòu)PbS@PbTe，通過等離子燒結(jié)技術(shù)燒結(jié)成塊體樣品，在290K至590K的溫度范圍內(nèi)，測(cè)量了它們的電學(xué)性能和熱學(xué)性能并分析了熱電性能，PbS@PbTe核殼結(jié)構(gòu)納米復(fù)合熱電材料的電導(dǎo)率很大