【摘要】：本文利用粉末冶金法結(jié)合放電等離子燒結(jié)(SPS)技術(shù)成功制備出Cu-In-Te的三種衍生物Cu_(2.5)In_(4.5)Te_8、Cu_(3.52)In_(4.16)Te_8和CuIn_5Te_8。并在此基礎(chǔ)上,研究了Cu_(2.5+x)In_(4.5)Te_8(x=0,0.05,0.1,0.15)、(Cu2Te)_x(Cu_(3.52)In_(4.16)Te_8)(x=0,0.03,0.05,0.08,0.11)和(Cu_2Te)_x(CuIn_5Te_8)(x=0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5)這三種材料的結(jié)構(gòu)與熱電性能。研究結(jié)果總結(jié)如下:在Cu_(2.5+x)In_(4.5)Te_8(x=0,0.05,0.1,0.15)這組材料中,當添加額外的Cu后,有效地提高了霍爾載流子濃度(n_H)、降低了晶格熱導率(κ_L)。載流子濃度(n_H)的增強歸因于價帶頂(VBM)上G點處產(chǎn)生了簡并雜質(zhì)能帶,而晶格熱導率(κ_L)的降低則是由于晶格出現(xiàn)了畸變。因此,當絕對溫度T=820 K、摻雜量x=0.1時,樣品獲得了最小晶格熱導率κ_L:0.23 Wm~(-1)K~(-1),這與使用Callaway模型計算的結(jié)果非常一致。當x=0.1時,材料的熱電優(yōu)值ZT值達到了最高值(≈0.84),比本征Cu_(2.5)In_(4.5)Te_8高出約0.38;在(Cu_2Te)_x(Cu_(3.52)In_(4.16)Te_8)(x=0,0.03,0.05,0.08,0.11)這組材料中,當Cu_2Te摻到Cu_(3.52)In_(4.16)Te_8后,額外Te原子以間隙Te原子的形式存在于晶格中,引起周圍局域?qū)ΨQ性的改變,并由于局部Te原子的“振蕩”作用優(yōu)化了聲子傳輸機制,有效得降低了晶格熱導率(最低晶格熱導率只有0.3WK~(-1)m~(-1))。同時,由于費米能級(E_f)向?qū)У?CBM)方向移動,導致霍爾載流子濃度(n_H)隨著Cu_2Te含量的增大而降低,但功率因子保持穩(wěn)定。因此,當摻雜量x=0.08時,在815K下,無量綱熱電優(yōu)值ZT值達到最高:1.65(±1.5),大約是x=0的1.5倍。這一材料在工業(yè)中具有巨大的應用前景;在CuIn_5Te_8材料中摻雜Cu_2Te形成化學式(Cu_2Te)_x(CuIn_5Te_8)后,有效地提高了材料的電導率。在814K下,電導率由本征時的0.34′10~3Ω~(-1)m~(-1)上升到x=0.4時的2.02′10~3Ω~(-1)m~(-1)。最高ZT值約為0.3(x=0.4,814K),比本征樣品相同溫度條件下的ZT值提高了3倍。
【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TF125
【圖文】：

化合物于鉛-硫族化合物(PbX，X=S，Se or Te)，它的晶體結(jié)構(gòu)如各向同性，并且具有較好的化學穩(wěn)定性的熱電材料，其晶，材料內(nèi)部化學鍵是金屬鍵。PbTe 很早就被發(fā)現(xiàn)并應用時它的最高 ZT 值達到了 0.8[30]，2002 年，Harman[31]等人e-PbTeSe 化合物 ZT 值達到了 3.0(550K)。PbTe 熱電模塊0K[32]，但是因為高溫下熱導率(κ)測量非常困難，所以電性能一直不為人所知，直到后來隨著科技的發(fā)展 PbTe性能才逐漸被揭開。圖 1-5 是近幾年來 PbTe 基合金熱電圖，觀察圖片可知，PbTe-SrTe 合金的熱電優(yōu)值最大，在了 2.3。其它鉛-硫族化合物，例如 PbSe、PbS 兩種化合物結(jié)構(gòu)，并且 Se、S 元素比 Te 元素成本更低，毒性更小圖 1-3 Bi2Te3晶體結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1-3 Schematic diagram of Bi2Te3crystal

(3) SiGe 基合金Si 和 Ge 兩種元素都同在Ⅳ族，具有典型的金剛石晶體結(jié)構(gòu)。SiGe 基合金在高溫下?lián)碛袃?yōu)異的熱電性能和穩(wěn)定性，因此這類材料已經(jīng)廣泛應用于放射性同位素熱電發(fā)電機(RTG)和其它高溫熱電設(shè)備。SiGe 基合金材料具有良好的電子輸運性能，但由于材料內(nèi)部強化學鍵(共價鍵)和 Si、Ge 元素質(zhì)量較輕等性質(zhì)，使得SiGe 基合金的晶格熱導率(κL)比較大，所以目前的研究工作主要集中在如何降低材料的晶格熱導率(κL)。目前使用較多的方法是：通過制備具有納米結(jié)構(gòu)的 n-型和 p-型 SiGe 合金半導體材料，利用量子限制效應使得材料的晶格熱導(κL)率大幅下降，從而顯著改善了材料的熱電性能。圖 1-6 是近期 SiGe 基合金熱電材料的熱電優(yōu)值統(tǒng)計圖。其中 p-型 SiGe 材料 ZT 值高達 0.95(800K)[37]，而納米復合材料(Si95Ge5)0.65(Si70Ge30P3)0.35在 900K 下的 ZT 值達到了 1.3[38]，所以 SiGe 基合金也是一種具有廣闊前景的高溫熱電材料。圖 1-4 PbTe 晶體結(jié)構(gòu)示意圖[33]圖 1-5 PbTe 基熱電材料熱電優(yōu)值統(tǒng)計圖[33]Figure 1-4 Schematic diagram of PbTe crystal structureFigure 1-5 Temperature dependence of the TE figure of merit ZT of PbTe-based materials

(3) SiGe 基合金Si 和 Ge 兩種元素都同在Ⅳ族，具有典型的金剛石晶體結(jié)構(gòu)。SiGe 基合金在高溫下?lián)碛袃?yōu)異的熱電性能和穩(wěn)定性，因此這類材料已經(jīng)廣泛應用于放射性同位素熱電發(fā)電機(RTG)和其它高溫熱電設(shè)備。SiGe 基合金材料具有良好的電子輸運性能，但由于材料內(nèi)部強化學鍵(共價鍵)和 Si、Ge 元素質(zhì)量較輕等性質(zhì)，使得SiGe 基合金的晶格熱導率(κL)比較大，所以目前的研究工作主要集中在如何降低材料的晶格熱導率(κL)。目前使用較多的方法是：通過制備具有納米結(jié)構(gòu)的 n-型和 p-型 SiGe 合金半導體材料，利用量子限制效應使得材料的晶格熱導(κL)率大幅下降，從而顯著改善了材料的熱電性能。圖 1-6 是近期 SiGe 基合金熱電材料的熱電優(yōu)值統(tǒng)計圖。其中 p-型 SiGe 材料 ZT 值高達 0.95(800K)[37]，而納米復合材料(Si95Ge5)0.65(Si70Ge30P3)0.35在 900K 下的 ZT 值達到了 1.3[38]，所以 SiGe 基合金也是一種具有廣闊前景的高溫熱電材料。圖 1-4 PbTe 晶體結(jié)構(gòu)示意圖[33]圖 1-5 PbTe 基熱電材料熱電優(yōu)值統(tǒng)計圖[33]Figure 1-4 Schematic diagram of PbTe crystal structureFigure 1-5 Temperature dependence of the TE figure of merit ZT of PbTe-based materials

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前3條

1 詹斌;蘭金叻;劉耀春;丁靖軒;林元華;南策文;;氧化物熱電材料研究進展[J];無機材料學報;2014年03期

2 周蕓,沈容,史慶南,孫加林;熱電材料的最新進展[J];昆明理工大學學報(理工版);2003年03期

3 張岐江;;紅外探測器制冷技術(shù)[J];現(xiàn)代兵器;1987年10期

本文編號：2775650