多元碲化物熱電材料的制備與性能.pdf

1、熱電材料是一種能夠?qū)崿F(xiàn)熱能和電能直接相互轉(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)用價值和廣泛的應(yīng)用前景.Bi<,2>Fe<,3>基和GeTe基化合物等碲化物具有高的無量綱熱電優(yōu)值ZT,是目前常用的熱電材料之一.制備多元合金可以優(yōu)化材料的成分,提高材料的熱電性能. 本文采用真空熔煉合成方法,以Bi、Te、Ge等單質(zhì)為原料制備了Bi<,2>Te<,3>基和GeTe基多元化合物.應(yīng)用XRD、SEM等手段對化合物進(jìn)行了物相

2、成分和微觀形貌結(jié)構(gòu)的分析.對部分熔煉試樣粉末采用真空熱壓技術(shù)進(jìn)行熱壓,其他的熔煉合金直接切割成條狀試樣,測量所有試樣的熱電性能.本文主要取得以下研究結(jié)果: 1.以元素Ag、Bi、Sb、Te為原料,真空熔煉合成四元合金Ag<,x>Bi<,0.5>Sb<,1.5-x>Te<,3>.研究發(fā)現(xiàn)含Ag四元合金電導(dǎo)率比三元合金B(yǎng)ic<,1.5>Sb<,1.5>Te<,3>有明顯提高,但Seebeck系數(shù)下降.添加Ag后載流子濃度增加,本征激

3、發(fā)移向更高的溫度.四元合金Ag<,0.2>Bi<,0.5>Sb<,0.3>Te<,3>具有較高功率因子,在550 K時達(dá)1.7×10<'-3> W·m<'-1>K<'-2>. 2.四元合金Zn<,x>Bi<,0.5>Sb<,1.5-x>Te<,3>的電導(dǎo)率和Seebeck系數(shù)受合金中Zn含量的影響.當(dāng)x=0.2時,合金的電導(dǎo)率和Seebeck系數(shù)均出現(xiàn)最大值.室溫時三種合金電學(xué)性能相差較大,高溫時差異變小,室溫附近合金試樣功率因

4、子的最大值為1.83×10<'-3>W·m<'-1>K<'-2>.四元合金Sn<,x>Bi<,0.5>Sb<,1.5-x>Fe<,3>的電導(dǎo)率隨著x值的增大而下降,x=0.5的試樣Seebeck系數(shù)最大.三種合金試樣的功率因子均隨溫度的升高而增加. 3.Bi<,2>-Te<,2.85>Se<,0.15>三元合金摻雜SbI<,3>導(dǎo)電類型由p型轉(zhuǎn)變?yōu)閚型.合金經(jīng)快速凝固和球磨工藝處理得到的粉末熱壓后,試樣斷面微觀形貌存在差異:快凝

5、粉末熱壓的試樣具有較大尺寸的晶粒,局部位置層與層之間有分裂,球磨粉末熱壓的試樣晶體晶粒尺寸相對較小,僅幾個微米,層與層結(jié)合比較緊密,致密度高.球磨粉末熱壓試樣具有較小的熱導(dǎo)率,熱導(dǎo)率隨溫度的升高而升高,但由于功率因子比較小,所以最大的熱電優(yōu)值為1.42×10<'-3> K<'-1>. 4.三元合金Ge-Sb-Te為p型半導(dǎo)體,合金的電導(dǎo)率高,達(dá)到4.5×10<'5>S·m<'-1>,電導(dǎo)率隨合金中Sb含量的增加而降低.合金Ge<

6、,45>Sb<,5>Te<,50>的電學(xué)性能最好,640 K功率因子為2.49×10<'-3> W·m<'-1>K<'-2>.Ge-Bi-Te三元合金中由于存在第二相,與Ge-Sb-Te三元合金相比電導(dǎo)率低,Seebeck系數(shù)高.Ge-Sb-Te-Se四元合金也具有較高的電導(dǎo)率,Sb含量高的兩個試樣顯示高的電學(xué)性能.5.摻雜少量PbTe不會改變Bi2Te3的晶體結(jié)構(gòu).比較試樣的Seebeck系數(shù)發(fā)現(xiàn),摻雜濃度低的試樣Seebeck系數(shù)低