MgAgSb化合物的晶体结构及热电性能

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MgAgSb合金是近年来新开发的近室温高性能热电材料,具有组成元素储量丰富的优点。但是仍存在许多问题,譬如由于存在多晶型转变以及Mg的高活性,高性能纯相α-MgAgSb难以获得;电学性能尚未优化,MgAgSb基热电材料具有较低热导率然而内在物理机制尚不明确;高温相理论预测与实验结果不相符等。本文重点研究纯相α-MgAgSb的制备,电学性能优化,本征低热导率的内在机理及不同晶型MgAgSb的晶体结构与热电性能,取得如下成果:(1)通过控制制备工艺,成功获得纯相α-MgAgSb,并通过In掺杂调节体系的载流子浓度并研究了该体系基本物理特性。利用第一性原理计算了 α-MgAgSb的能带结构,其为窄禁带间接带隙半导体,禁带宽度Eg~0.26eV,价带顶具有高能谷简并度NV=8。采用SPB模型计算得到该体系的态密度有效质量m*= 2.0me,单带有效质量mb*=0.5me。利用变形势理论结合实验结果得到该体系的变形势E=20.0eV。In掺杂的α-MgAgSb在525K获得最高zT~1.1,分析得到该体系的最优载流子浓度为8~9×1019cm-3。(2)基于晶格动力学和声子传输理论,从化学键角度解释了 α-MgAgSb本征低晶格热导率的起因,即全局和局域弱化学键共同存在是非笼状结构Nowotny-Juza化合物α-MgAgSb本征低晶格热导的物理机制。低价电子数(VEC=8)引起α-MgAgSb全局弱键,表现为低声速;α-MgAgSb扭曲立方结构中独特的Mg-Ag-Sb三中心局域弱键引起低频光学支的共振散射。低温热性能测量和模型分析也证明爱因斯坦低频振动模的存在。这类分级化学键特征可以推广到其他Nowotny-Juza化合物,晶格动力学计算表明Nowotny-Juza化合物CdCuSb和CaAgSb也具有低声速和低频光学声子的特点。(3)通过变温高分辨同步辐射粉末X射线衍射(SR-PXRD)分析了 MgAgSb的多晶型晶体结构特征与相变。Sb和Ag3Sb杂质出现在400-600 K的高温下,含量随温度升高而升高。MgAgSb结构对称性随温度升高。两种MgAgSb多晶型物(β-MgAgSb和γ-MgAgSb)在700K下共存,但在高温(800-1000K)下仅发现立方结构γ-MgAgSb相。y-MgAgSb相的结晶度随温度增加而降低,样品在1000 K时晶体仅为43.8%。杂质液化很大程度上影响了 y-MgAgSb的稳定性。γ-MgAgSb的高分辨率粉末数据可以使用Ⅰ型(Mg,Ag和Sb分别占在4b,4c和4a位置)和Ⅱ型(Mg,Ag和Sb分别占在4a,4b和4c位置)的half-Heusler晶体结构模型。对精修的结构因子进行的最大熵法表明,Ⅱ型给出了更多的物理声学电子密度。热电性能测量γ-MgAgSb具有半导体特征,与Ⅱ型结构模型结果更加相符合。
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