【摘要】：當(dāng)今世界,能源危機和環(huán)境污染是人們亟待解決的兩大難題。熱電材料由于能實現(xiàn)熱能和電能的直接轉(zhuǎn)化,而且無污染,無振動,可靠性高,免維護,受到人們的廣泛關(guān)注。碲化物熱電材料由于具有相對高的熱電性能,一直是熱電研究的重點。本文選取了Bi2Te3、SnTe、LAST材料作為研究對象,采用機械合金化法(MA)結(jié)合放電等離子體燒結(jié)(SPS)工藝,分別研究了Fe摻雜p型Bi2Te3、Al摻雜SnTe、以及燒結(jié)溫度(TSPS)對LAST的熱電輸運性能的影響,并進一步設(shè)計和制備了熱電器件。Bi2Te3一直是優(yōu)良的近低溫?zé)犭姴牧?同時還是拓撲絕緣體結(jié)構(gòu)。2013年,薛其坤等人在磁性元素摻雜Bi2Te3薄膜中觀察到量子反�；魻栃�(yīng),有望獲得高的載流子遷移率。本研究采用磁性元素Fe摻雜p型(Bi,Sb)2Te3,制備了Fex(Bi0.15Sb0.85)2-xTe3化合物。研究表明,當(dāng)x≤0.05時,Fe以Fe3+的形式進入晶格。進一步增加x至0.10時,以FeTe2的形式析出。Fe的摻雜使得載流子濃度降低,遷移率升高,同時提高了空穴有效質(zhì)量,降低了禁帶寬度。當(dāng)x=0.05時,樣品在323 K時獲得了最大的功率因子(PF)45 μWcm-1K-2。由于PF和熱導(dǎo)率(κtotal)的共同作用,當(dāng)x=0.05時,在323 K時獲得了最大ZT值1.2。SnTe材料為面心立方結(jié)構(gòu),其能帶結(jié)構(gòu)與PbTe類似,是一種極有潛力的熱電材料。然而SnTe高的本征Sn空位抑制了熱電性能的提升。本研究采用Al摻雜SnTe,制備了AlxSn1.03-xTe熱電材料。A1進入SnTe時,晶胞常數(shù)先增大后減小,這主要是由于A1先進入Sn揮發(fā)留下的Sn空位,之后進入Sn置換位。隨著x增加,載流子濃度略微減小,同時有效質(zhì)量幾乎不變。A1的引入增強了載流子的散射,使得遷移率逐漸降低。隨著x含量增加,樣品的室溫功率因子逐漸增高。當(dāng)x=0.05時,樣品的室溫PF可達11 μWcm-1K-2,且在623K時獲得了最大功率因子PF,18.7μWcm-1K-2。由于電子熱導(dǎo)的貢獻減小,使得樣品的κtotal逐漸減小。x=0.05的樣品在823 K附近時獲得最大ZT值0.65。當(dāng)溫度范圍在323-773 K時,其最大轉(zhuǎn)化效率可達5.26%,相較于原始SnTe的樣品提高了約2.4倍。AgPbmSbTem+2(簡稱LAST)材料,屬于PbTe基熱電材料。通過退火和二次球磨等工藝可以出現(xiàn)納米級成分波動,在保持高的功率因子的同時獲得了低的熱導(dǎo)率。此外,不同TSPS下燒結(jié)的材料性能有很大的不同。因此,本研究通過調(diào)節(jié)TSPS調(diào)控了AgPb20.5SbTe20中納米級成分波動。研究表明,當(dāng)TSPS=923 K時,觀察到了納米級成分波動的出現(xiàn),樣品在773 K獲得最大的PF,15.1 μWcm-1K-2,同時在整個溫度范圍具有低的晶格熱導(dǎo)率。最終TSPS=923 K的樣品在773 K時獲得最大的ZT值1.28。當(dāng)該樣品在323-723 K溫度范圍內(nèi),表現(xiàn)出高的工程ZT(ZTeng)值0.26,其對應(yīng)的轉(zhuǎn)化效率可達5.8%,相比其他樣品提高了近兩倍。本研究利用n型(LAST材料)和p型(Pb0.94Sr0.04TeNa0.02材料)的PbTe基熱電材料結(jié)合商用Bi2Te3材料制備了一個雙層熱電器件。有限元模擬表明,針對LAST材料在低溫時有較低的ZT值這一特性,雙層器件具有更寬的溫度適用范圍。Cu、Ni、Ni-Fe、Co-Fe與PbTe基體之間的擴散層厚度分別為200μm、10μm、20 μm和1μm。Ni-Fe、Co-Fe與PbTe基體的接觸電阻分別為14.8 mΩcm2和1.5 mΩcm2。結(jié)果表明Co-Fe合金適合作為PbTe基熱電材料的金屬化層材料。此外,在熱電臂的上下兩端燒結(jié)一層50 μm的Cu層,利用純Sn箔作為焊料可以成功焊接組裝中溫區(qū)熱電器件。在303-923 K溫度范圍內(nèi)時,其最大轉(zhuǎn)化效率可達9.5%,該值是目前含有LAST材料熱電器件的最高值。本研究進一步利用前述探索的熱電材料結(jié)合課題組內(nèi)近年探索的高性能熱電材料,探索了高性能熱電器件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。通過優(yōu)化熱電臂中材料的比例以及n型和P熱電臂的尺寸,分別設(shè)計模擬了雙段/多段熱電材料。在絕熱邊界條件下,當(dāng)溫度范圍在323-823 K時,以Bi2Te3/LAST為n型材料,以Bi2Te3/GeTe/SnTe為p型材料的多段熱電器件最大轉(zhuǎn)化效率可達15.57%。
【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TB34
【圖文】：

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本文編號：2803673