多晶SnSe熱電材料的制備與性能優(yōu)化
發(fā)布時間：2020-12-03 21:01
SnSe是一種化學(xué)組成簡單、組成元素?zé)o毒無害且含量豐富的層狀半導(dǎo)體材料,因其單晶具有極高的ZT值而引起研究者廣泛的關(guān)注。但由于單晶SnSe材料易解理,機(jī)械性能差且生產(chǎn)條件苛刻、制備周期長,更多工作開始投入在多晶SnSe材料研究上。本文針對以上問題,基于熔融淬火結(jié)合放電等離子體燒結(jié)（SPS）的制備工藝,分別研究多晶SnSe材料P型和N型轉(zhuǎn)變與化學(xué)計量比的關(guān)系、復(fù)合Cu2Se第二相對P型多晶SnSe材料結(jié)構(gòu)成分及性能的影響,以及摻雜BiI3對N型多晶SnSe材料結(jié)構(gòu)成分及性能的影響,探索了多晶SnSe材料熱電性能優(yōu)化的新途徑。主要研究結(jié)果如下:（1）基于熔融淬火結(jié)合SPS的工藝方法成功制備了純相P型多晶SnSe塊體熱電材料,其在773K功率因子達(dá)到最大值3.28μW·K-2·cm-1,同時取得最大ZT值0.41。當(dāng)起始原料Se過量時,會在SnSe材料中形成SnSe2雜相,會提高材料的熱導(dǎo)率;起始原料Se缺失時,材料中出現(xiàn)單質(zhì)Sn第二相,降低材料的電導(dǎo)率并提高熱導(dǎo)率。同時,Se缺失會...
【文章來源】：武漢理工大學(xué)湖北省 211工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：81 頁
【學(xué)位級別】：碩士
【部分圖文】：
Seebeck效應(yīng)示意圖
圖1-2 SnSe 晶體結(jié)構(gòu)圖[54]Fig.1-2 Crystal structure of SnSe[54]同時，也正是因為上述特殊的層狀結(jié)構(gòu)，SnSe 晶體在 a 軸向形成解理面，層間由范德華力連接，使得單晶 SnSe 材料易解理，機(jī)械性能差。另外單晶生長技術(shù)對條件要求苛刻，制備周期長等特點也限制了其大規(guī)模商業(yè)生產(chǎn)。故研究學(xué)者們開始關(guān)注多晶 SnSe 材料的研究。Sassi 等[55]首先采用放電等離子燒結(jié)的工藝方法制備出塊體多晶 SnSe 材料，取得最大 ZT 值 0.5（793K）；該數(shù)值遠(yuǎn)低于單晶 SnSe 材料，歸因于其較差的電輸運(yùn)性能和較高的熱輸運(yùn)性能。因此研究者首先通過摻雜的方式提高載流子濃度來優(yōu)化多晶電輸運(yùn)性能：Chen 等[56]和Chere 等[57]分別選用 Ag 和 Na 元素進(jìn)行摻雜，成功提高多晶 SnSe 材料載流子濃度，提升其電輸運(yùn)性能，得到的最大 ZT 值為 0.6 和 0.8（773K）。另外研究者證明，提高多晶材料的織構(gòu)化也是優(yōu)化其電輸運(yùn)性能的有效手段。在降低熱導(dǎo)率方面，Han 等[58]采用固溶合金化的方法，在 SnSe 多晶材料中形成 SnSe-SnS固溶體，達(dá)到優(yōu)化多晶材料熱輸運(yùn)性能的目的，得到最大 ZT 值 0.8（823K）。
圖 2-1 SnSe 多晶材料制備與表征方案Fig.2-1 The scheme of preparation and characterization of polycrystal SnSe material2.3 Sn/Se 化學(xué)計量比變化對多晶 SnSe 的影響SnSe 是一種僅由兩種元素組成的簡單化合物，所以研究 Sn/Se 化學(xué)計量比的變化對其成分結(jié)構(gòu)乃至性能的影響很有意義。采用相同的制備工藝，改變起始原料 Sn/Se 單質(zhì)粉末的比例，制備一系列不同化學(xué)計量比的樣品，并進(jìn)行成分性能的測試和分析。2.3.1 Se 過量對材料的影響2.3.1.1 物相組成與顯微結(jié)構(gòu)圖 2-2 為名義組成為 SnSe1+x(x= -0.005， 0， 0.005， 0.01， 0.015， 0.02 )
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]熱電能源材料研究進(jìn)展[J]. 趙立東,張德培,趙勇. 西華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版). 2015(01)
[2]納米復(fù)合熱電材料研究進(jìn)展[J]. 陳立東,熊震,柏勝強(qiáng). 無機(jī)材料學(xué)報. 2010(06)
[3]太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)戰(zhàn)略研究[J]. 紀(jì)軍,何雅玲. 中國科學(xué)基金. 2009(06)
[4]多壁碳納米管對p型Ba0.3FeCo3Sb12化合物熱電性能的影響[J]. 羅派峰,唐新峰,熊聰,張清杰. 物理學(xué)報. 2005(05)
[5]熱電材料在發(fā)電和制冷方面的應(yīng)用前景及研究進(jìn)展[J]. 朱文,楊君友,崔昆,張同俊. 材料科學(xué)與工程. 2002(04)
本文編號：2896539
【文章來源】：武漢理工大學(xué)湖北省 211工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：81 頁
【學(xué)位級別】：碩士
【部分圖文】：
Seebeck效應(yīng)示意圖
圖1-2 SnSe 晶體結(jié)構(gòu)圖[54]Fig.1-2 Crystal structure of SnSe[54]同時，也正是因為上述特殊的層狀結(jié)構(gòu)，SnSe 晶體在 a 軸向形成解理面，層間由范德華力連接，使得單晶 SnSe 材料易解理，機(jī)械性能差。另外單晶生長技術(shù)對條件要求苛刻，制備周期長等特點也限制了其大規(guī)模商業(yè)生產(chǎn)。故研究學(xué)者們開始關(guān)注多晶 SnSe 材料的研究。Sassi 等[55]首先采用放電等離子燒結(jié)的工藝方法制備出塊體多晶 SnSe 材料，取得最大 ZT 值 0.5（793K）；該數(shù)值遠(yuǎn)低于單晶 SnSe 材料，歸因于其較差的電輸運(yùn)性能和較高的熱輸運(yùn)性能。因此研究者首先通過摻雜的方式提高載流子濃度來優(yōu)化多晶電輸運(yùn)性能：Chen 等[56]和Chere 等[57]分別選用 Ag 和 Na 元素進(jìn)行摻雜，成功提高多晶 SnSe 材料載流子濃度，提升其電輸運(yùn)性能，得到的最大 ZT 值為 0.6 和 0.8（773K）。另外研究者證明，提高多晶材料的織構(gòu)化也是優(yōu)化其電輸運(yùn)性能的有效手段。在降低熱導(dǎo)率方面，Han 等[58]采用固溶合金化的方法，在 SnSe 多晶材料中形成 SnSe-SnS固溶體，達(dá)到優(yōu)化多晶材料熱輸運(yùn)性能的目的，得到最大 ZT 值 0.8（823K）。
圖 2-1 SnSe 多晶材料制備與表征方案Fig.2-1 The scheme of preparation and characterization of polycrystal SnSe material2.3 Sn/Se 化學(xué)計量比變化對多晶 SnSe 的影響SnSe 是一種僅由兩種元素組成的簡單化合物，所以研究 Sn/Se 化學(xué)計量比的變化對其成分結(jié)構(gòu)乃至性能的影響很有意義。采用相同的制備工藝，改變起始原料 Sn/Se 單質(zhì)粉末的比例，制備一系列不同化學(xué)計量比的樣品，并進(jìn)行成分性能的測試和分析。2.3.1 Se 過量對材料的影響2.3.1.1 物相組成與顯微結(jié)構(gòu)圖 2-2 為名義組成為 SnSe1+x(x= -0.005， 0， 0.005， 0.01， 0.015， 0.02 )
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]熱電能源材料研究進(jìn)展[J]. 趙立東,張德培,趙勇. 西華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版). 2015(01)
[2]納米復(fù)合熱電材料研究進(jìn)展[J]. 陳立東,熊震,柏勝強(qiáng). 無機(jī)材料學(xué)報. 2010(06)
[3]太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)戰(zhàn)略研究[J]. 紀(jì)軍,何雅玲. 中國科學(xué)基金. 2009(06)
[4]多壁碳納米管對p型Ba0.3FeCo3Sb12化合物熱電性能的影響[J]. 羅派峰,唐新峰,熊聰,張清杰. 物理學(xué)報. 2005(05)
[5]熱電材料在發(fā)電和制冷方面的應(yīng)用前景及研究進(jìn)展[J]. 朱文,楊君友,崔昆,張同俊. 材料科學(xué)與工程. 2002(04)
本文編號：2896539
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