【摘要】：熱電材料作為一種能夠利用材料內(nèi)部載流子輸運(yùn)實(shí)現(xiàn)熱能與電能相互轉(zhuǎn)換的功能材料,在溫差發(fā)電、固態(tài)制冷等多個(gè)領(lǐng)域具有非常好的應(yīng)用前景。而熱電器件的轉(zhuǎn)換率與材料自身的熱電性能密切相關(guān)。因此,不斷改善和提高材料的熱電性能,是目前研究的重要課題。三元Cu-Sn-S基化合物由于其成本低、化學(xué)穩(wěn)定性好受到了廣泛的關(guān)注,但是較寬的禁帶寬度使其電導(dǎo)率非常低,同時(shí),賽貝克系數(shù)和載流子濃度不協(xié)調(diào)。由于這些問(wèn)題導(dǎo)致其熱電性能不高。因此,開(kāi)發(fā)新型的Cu-Sn-S基熱電材料意義重大。本文選取三元Cu3Sn S4基化合物為主要研究對(duì)象,摻雜不同的元素,通過(guò)合金化降低晶格熱導(dǎo)率。同時(shí),采用第一性原理,計(jì)算其能帶結(jié)構(gòu),了解并掌握運(yùn)輸特性;協(xié)調(diào)賽貝克系數(shù)和載流子濃度,探索出熱電性能優(yōu)化策略,大幅度提升其熱電優(yōu)值ZT。主要研究成果總結(jié)如下:(1)根據(jù)第一性原理計(jì)算結(jié)果,過(guò)量的Sn元素會(huì)占據(jù)在Cu3Sn S4晶格間隙或Cu原子的位置,使能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,費(fèi)米能級(jí)(Ef)去釘扎并向?qū)б苿?dòng)。但計(jì)算的禁帶寬度(Eg)卻幾乎沒(méi)變,Eg=~1.25 e V。(2)由于載流子散射和晶格結(jié)構(gòu)畸變,Cu3Sn S4晶格熱導(dǎo)率(k L)有了明顯的降低;過(guò)量的Sn元素在一定程度上降低了載流子濃度(n H),從而提高了賽貝克系數(shù)(S),協(xié)調(diào)了賽貝克系數(shù)和載流子濃度之間的關(guān)系。(3)根據(jù)對(duì)材料Cu3Sn1+x S4品質(zhì)因子B的計(jì)算,證明當(dāng)x=0.2時(shí)品質(zhì)因子B最佳。在790 K,Cu3Sn1.2S4的熱電優(yōu)值為0.75,是本征Cu3Sn S4的2.8倍。(4)摻雜Ag元素后,使Cu3Sn S4的晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,降低了熱導(dǎo)率。當(dāng)x=0.2時(shí),材料Cu2.8Ag0.2Sn S4的熱電優(yōu)值為0.49,是本征Cu3Sn S4的~2倍。(5)摻雜Se、Te和Zn后,改變了元素之間電負(fù)性差異,可使Cu3Sn S4和Cu3Sn1.2S4的晶格結(jié)構(gòu)產(chǎn)生畸變,聲子散射增強(qiáng),熱導(dǎo)率降低。但是對(duì)于Cu3Sn S4熱電性能的提升非常有限,僅為~7%。
【圖文】：

1 緒論1 緒論1 Introduction1.1 引言 (Introduction)工業(yè)革命以來(lái)，人類(lèi)的社會(huì)生產(chǎn)力得到了前所未有的提升，經(jīng)濟(jì)規(guī)模迅速擴(kuò)張，在創(chuàng)造出不計(jì)其數(shù)財(cái)富的同時(shí)，也帶來(lái)了傳統(tǒng)能源日益枯竭、環(huán)境污染和生態(tài)破壞等許多嚴(yán)峻的問(wèn)題。能源是人類(lèi)賴(lài)以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)之一，2016 年，全球能源消耗 132 億噸 (t) ，1991~2016 年全球能源消耗如下圖 1-1 所示[1]。根據(jù)美國(guó)能源信息管理局的報(bào)告，從 2012~2040 年，能源消耗將提升 48%[2]。

汽車(chē)座椅等多個(gè)領(lǐng)域[11,12]。由此可見(jiàn)，熱電材料在航天、軍事、民用等多個(gè)領(lǐng)域具有非常大的應(yīng)用前景，，大力開(kāi)發(fā)和研制新型熱電材料及器件對(duì)促進(jìn)大規(guī)模應(yīng)用具有十分重要的作用。盡管近年來(lái)，熱電材料及其器件的研發(fā)受到了越來(lái)越多的關(guān)注，相關(guān)研究的投入和科研成果也在不斷攀升，但是相比于傳統(tǒng)熱機(jī)的發(fā)電效率 (30%~40%)，熱電器件的轉(zhuǎn)換率依然很低，其工作效率一般在 6%~10%左右[13-15]。而根據(jù)相關(guān)熱力學(xué)理論，熱電器件的轉(zhuǎn)化效率是由卡諾效率和熱電材料自身的熱電性能共同決定。因此，不斷改善材料的熱電性能，并能有效的提高熱電器件的轉(zhuǎn)換率是目前研究的重要課題[16,17]。1.2 熱電效應(yīng) (Thermoelectric Effect)1.2.1 熱電效應(yīng)理論早在 19 世紀(jì)上半葉，眾多的西歐科學(xué)家發(fā)現(xiàn)并提出熱電現(xiàn)象。通過(guò)研究，提出了熱電效應(yīng)，主要由賽貝克效應(yīng) (Seebeck Effect) 、帕爾貼效應(yīng) (PeltierEffect) 和湯姆遜效應(yīng) (Tomson Effect) 構(gòu)成。三大效應(yīng)示意圖如圖 1-2 所示[18]。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TB34

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 羅青云,賈成廠,柴立民,赫運(yùn)濤;用溫壓法制備鐵氧體[J];粉末冶金技術(shù);2004年06期

2 李繼光,孫旭東,王雅蓉,宋丹,賈英全,郝士明,谷云燕;α-Al_2O_3納米粉的燒結(jié)動(dòng)力學(xué)[J];金屬學(xué)報(bào);1998年02期

本文編號(hào)：2605661