Cu3SbSe4基热电材料的制备及其性能研究

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环境污染和能源短缺是当今社会面临的两大难题。热电材料是一种通过材料内部载流子和声子的定向输运来实现电能和热能之间相互转换的功能材料。热电技术在节能环保等众多领域表现出来巨大的应用前景,因此受到了世界各国研究人员的广泛关注,热电材料的性能也不断提高。但是目前大多数高性能的热电材料都有着或多或少的缺点(含有贵金属或有毒元素,制备工艺要求高等),制约了热电材料大规模商业化的应用。因此研究地球含量丰富且无毒的热电材料具有十分重要的意义。本论文以廉价并且无铅的Cu3SbSe4基热电材料为研究对象,通过不同手段调控了它的电、热输运性质,并对其热电性能进行了研究。主要研究内容如下:1.研究了Ag掺杂对Cu3SbSe4热电性能的影响。Ag掺杂可以有效的提升Cu3SbSe4载流子浓度和载流子有效质量,从而同时优化电阻率和Seebeck系数。当掺杂浓度x≥0.05时,会生成AgSbSe2第二相。通过Ag掺杂引入大量点缺陷,增加了声子散射,使得晶格热导率大幅下降,最终Cu2.85Ag0.15SbSe4在623K获得了0.90的ZT值。2.研究了AgSnSe2固溶对Cu3SbSe4热电性能的影响。实验发现,AgSnSe2固溶可以有效的提升Cu3SbSe4载流子浓度,从而优化电学性能。同时异质元素替位引起的点缺陷以及更加多尺度的晶粒尺寸分布都增加了对声子的散射,降低了晶格热导率。但是由于电子热导率贡献增大导致总的热导率并没有得到优化。得益于电学性能的大幅提化,(Cu3SbSe40.99(AgSnSe20.01样品在673K取得了1.01的最好ZT值。3.研究了Ni/Sn共掺杂对Cu3SbSe4热电性能的影响。实验发现,Ni/Sn共掺杂可以有效的提升Cu3SbSe4载流子浓度,从而优化电阻率,但是Ni掺杂量的改变对电阻率和Seebeck系数影响都不大,因此对功率因子的提升有限。同时由于Ni原子和Cu原子的性质(质量和半径)相近,对降低Cu3SbSe4的热导率效果不明显。最终得益于电学性能的提升,Cu3-xNixSb0.99Sn0.01Se4(x=0.01,0.02,0.03)样品的ZT值在673K时都达到了0.78左右。
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