【摘要】：熱電技術能夠實現(xiàn)電能和熱能的相互轉換,并具有無傳動部件、高服役可靠性的特點,因而廣泛應用于空間發(fā)電和各種制冷領域。特別是在過去幾十年,由于全球能源危機和環(huán)境污染的加重,熱電技術應用于汽車尾氣發(fā)電以及鋼鐵廠等的低品位廢熱回收。熱電技術的研究重點是獲得具有高熱電優(yōu)值的熱電材料,本論文在“聲子液體-電子晶體”概念指導下,探索具有高熱電性能的新型硫銀鍺礦族化合物。以Cu_8GeSe_6和Ag_9GaSe_6兩種化合物作為研究對象,表征熱電性能,分析電熱輸運機制,探尋結構與性能之間的關系,并通過對結構和輸運參數(shù)的調控來優(yōu)化熱電性能。本論文主要取得以下創(chuàng)新性成果:1、發(fā)現(xiàn)Cu_8GeSe_6化合物是一種具有本征低熱導率的新型熱電材料,其zT值在700K時達到0.55。在非快離子導體相中,銅離子與[GeSe_6]框架之間存在的弱化學鍵能夠在材料中引入大量非簡諧振動的低頻光學支聲子,阻礙正常聲子的傳播,從而導致其本征低的晶格熱導率。在快離子導體相中,低的晶格熱導率得益于銅離子強烈的類液態(tài)效應,這種類液態(tài)效應能夠強烈地散射聲子,使得部分橫波聲子發(fā)生軟化,從而有效的降低晶格熱導率。2、通過在Cu_8GeSe_6中固溶Te,發(fā)現(xiàn)了一種全新三方相硫銀鍺礦結構。晶體結構的改變極大提高了材料的電性能,優(yōu)化的電性能導致材料的zT值提升到0.9。進一步地,通過在Cu位固溶Ag,明顯增加了點缺陷的數(shù)量,對高頻聲子產(chǎn)生強烈的散射,從而有效降低了材料晶格熱導率,使得zT值達到了1.07。3、發(fā)現(xiàn)Ag_9GaSe_6化合物是一種高性能的n型熱電材料,zT值在800K時達到1.1。對其電輸運機制的研究表明,高度色散的導帶底導致了其非常高載流子遷移率。對其熱輸運機制的研究表明,Ag離子非常強烈的類液態(tài)效應能夠消除部分橫波聲子振動模式,導致其定容熱容明顯低于固體材料的理論熱容。通過對Ag離子有序結構的計算,發(fā)現(xiàn)Ag離子特殊的成鍵方式和化學環(huán)境導致了大量低頻非諧振動的產(chǎn)生,引起了低頻區(qū)間較大的光學支聲子態(tài)密度,從而強烈阻礙聲學支聲子的傳輸,這是材料具有極低的晶格熱導率的重要原因。4、通過在Ag_9GaSe_6的Se位引入少量的Se空位,極大提高了材料的電導率,由于電導率的提高,樣品的zT值在800K時達到1.3。在Se空位調節(jié)載流子濃度的基礎上,在Se位進一步固溶Te能夠在材料中引入大量的點缺陷,增強對聲子的散射,從而降低材料的晶格熱導率,材料的zT值在850K時達到1.6,是目前n型類液態(tài)材料中的最高值。同時通過測試材料在大電流條件下的電阻變化,表征了其大電流下的穩(wěn)定性,發(fā)現(xiàn)Te的固溶能夠有效提高材料在大電流下的服役穩(wěn)定性。
【圖文】：

圖 2.1 （a）澤貝克效應和（b）帕爾貼效應示意圖。Fig. 2.1 Schematic diagram of (a) Seebeck effect and (b) Peltier effect.

4 中國科學院上海硅酸鹽研究所博士學位論文圖 2.2 熱電模塊示意圖。Fig. 2.2 Scheatic illustration of thermoelectric module.將 p 型和 n 型熱電材料使用金屬導流片聯(lián)結在一起形成 對，然后將 對串聯(lián)起來，固定在兩塊陶瓷基板之間，就可以構成熱電模塊，，如圖 2.2 所示。熱電模塊是構建熱電發(fā)電器或者制冷器的基本單元。熱電模塊的性能通常使用能量轉換
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院上海硅酸鹽研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TB34

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本文編號：2697575