SnTe基热电材料的制备及性能研究

来源 :中国石油大学(北京) | 被引量 : 0次 | 上传用户:monorrch
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在全球可持续发展战略中,热电材料扮演了重要的角色,它不仅能够直接将废热转换为电能从而提高能源利用率,亦可直接将电能转换为热能。PbTe基热电材料被公认为是最好的中温区热电材料,能够获得较高的ZT值。然而Pb元素的存在使其对环境造成了严重的污染,限制了其大规模的应用。环境友好的SnTe与PbTe具有相同的晶体结构和能带结构,因此SnTe具有获得高ZT值的可能,获得了科研工作者广泛的关注。由于本征Sn空位,SnTe中空穴载流子浓度高,使得它的Seebeck系数低和电子热导率高,同时它的晶格热导率也很高,从而导致它的热电性能差。本文采用不同的制备工艺,通过掺杂不同元素来改善SnTe的电学性能,同时调控SnTe的微观结构来降低其晶格热导率,从而提高SnTe的热电性能,具体内容如下:(1)通过对纯相SnTe的SPS烧结工艺探索,发现最佳的SPS烧结温度为723K-773 K。采用固相法结合SPS烧结工艺制备了Sn1-xAgxTe样品,发现Ag掺杂造成的点缺陷和AgTe3沉淀相,能够增强声子散射,进而降低晶格热导率,最终提升Sn1-xAgxTe样品的ZT值。(2)采用固相法结合SPS烧结工艺制备了Sn1-xMgx/2Cax/2Te样品,发现Mg/Ca掺杂能够收敛SnTe轻重带,进而提高其Seebeck系数;同时Mg/Ca掺杂会造成点缺陷、第二相沉淀以及大量晶界,从而在全尺度范围内增强声子散射,降低其晶格热导率,最终Sn0.865Mg0.0675Ca0.0675样品在773 K时获得最大ZT值0.53。(3)研究发现固相法和机械合金化法都是制备SnTe基热电材料的重要手段。采用机械合金化法结合SPS烧结工艺制备了Sn1-xBix/2Sbx/2Te样品,发现Bi/Sb掺杂能够提高样品的电学性能,同时Bi/Sb掺杂造成的点缺陷和大量晶界,能够增强声子散射,进而降低晶格热导率,而且施主杂质Bi3+和Sb3+会造成电子热导率下降,从而大幅降低Sn1-xBix/2Sbx/2Te样品的热导率。最终,Sn0.96Bi0.02Sb0.02Te样品在773 K时ZT值高达0.63,与纯相SnTe在723 K时ZT值只有0.18相比,提升了约2.5倍。
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