P型硅化物熱電材料的制備及摻雜.pdf

1、熱電材料可以實(shí)現(xiàn)電能和熱能之間的相互轉(zhuǎn)換，在熱能發(fā)電和電能制冷領(lǐng)域有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。高效的熱電器件同時(shí)需要性能良好的n型和p型熱電材料。本論文致力于研究環(huán)境友好、成本經(jīng)濟(jì)的p型硅化物熱電材料，主要選取Mg2Si和高錳硅材料，從制備工藝和元素?fù)诫s方面探索提高其熱電性能的方法。
　　 針對(duì)Mg2Si熱電材料難以穩(wěn)定制備的難題，本文采用了固相反應(yīng)制備Mg2Si材料，探索出較為穩(wěn)定的固相反應(yīng)的參數(shù)，以此工藝制備了成相較好的純Mg2Si，熱

2、電性能測(cè)試顯示其為n型半導(dǎo)體，在725K時(shí)出現(xiàn)最高ZT值0.28。
　　 n型的Mg2Si熱電材料性能較好且研究廣泛，而同一種體系的n型和p型熱電材料制作的熱電器件具有更佳的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。因此研究Mg2Si的p型改性就具有重要意義。本文采用固相反應(yīng)法制備了以硅化鋰(Li13Si4)作為L(zhǎng)i供體的Li摻雜Mg2Si材料Mg2-xLixSi，并研究了其熱電性能。實(shí)驗(yàn)中所有的Li摻雜試樣都成功轉(zhuǎn)變?yōu)閜型半導(dǎo)體。其電導(dǎo)率相對(duì)于未摻雜試樣有所

3、降低，而熱導(dǎo)率則有所升高，理論配比為Mg1.97Li0.03Si的試樣在725K出現(xiàn)最高的ZT值0.12。
　　 高錳硅是性能優(yōu)異的p型硅化物熱電材料，適當(dāng)?shù)脑負(fù)诫s和制備工藝的改進(jìn)可以進(jìn)一步提高其性能。本文采取懸浮熔煉、甩帶和放電等離子燒結(jié)等工藝制備Ge取代的高錳硅試樣Mn(Si1-xGex)1.733。XRD分析表明：實(shí)驗(yàn)所得高錳硅試樣中存在兩種非公度相，其中以Mn15Si26為主，快速凝固能夠減少M(fèi)nSi金屬相的含量；Ge

4、對(duì)Si位的取代使得衍射峰向低角區(qū)偏移。SEM分析研究了甩帶所得快凝合金薄片的貼輥面和自由面的微觀形貌差異，并利用形核理論對(duì)此差異的出現(xiàn)做出解釋。研究了高錳硅熔錠和快凝合金中的MnSi金屬相在SPS前后形態(tài)與分布的變化。測(cè)試并比較了懸浮熔煉組和快速凝固組試樣的熱電性能。結(jié)果顯示：Ge取代可以優(yōu)化材料的電學(xué)輸運(yùn)性質(zhì)，快速凝固則有效地降低了材料的熱導(dǎo)率，同時(shí)提高了材料的電導(dǎo)率，有助于提高材料的熱電性能。SEM分析顯示，快速凝固試樣中的MnSi

5、金屬相呈聚集分布，有一定的連通性，此結(jié)構(gòu)特征也有助于提高材料的電導(dǎo)率。實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，當(dāng)Ge取代量x=0.010時(shí)，ZT值最高，懸浮熔煉試樣在850K時(shí)ZT值為0.53，快速凝固試樣在750K時(shí)ZT值達(dá)到0.55。
　　 此外，本文還采用B2O3做助熔劑的方法制備了Ga摻雜的Mg2Ge0.4Sn0.6系列試樣。XRD分析表明產(chǎn)物成相良好，助熔劑法可以有效地制備Mg-Ge-Sn三元單相固溶體。多數(shù)摻雜試樣表現(xiàn)出p-n型轉(zhuǎn)變的特征。