碲化鉍（Bi₂Te₃）基材料在近室溫區(qū)半導(dǎo)體制冷和熱電發(fā)電方面具有廣泛而重要的應(yīng)用。然而商業(yè)化區(qū)熔碲化鉍材料存在機(jī)械性能較差、易解理等問(wèn)題,不僅材料利用率較低,而且也容易造成器件失效。因此,需要提升碲化鉍材料的力學(xué)和熱電綜合性能,以滿足更廣泛的應(yīng)用需求。本論文以p型Bi SbTe為研究對(duì)象,通過(guò)復(fù)合室溫低熱導(dǎo)率的AgSbTe₂材料,優(yōu)化電學(xué)性能的同時(shí)降低了熱導(dǎo)率,實(shí)現(xiàn)了材料綜合性能的提升。并且,采用熱變形工藝制備了多晶塊體BiSbTe材料,探究了不同溫度下熱變形樣品熱電性能,優(yōu)化出了最佳的熱變形溫度。在此基礎(chǔ)上,利用Cu摻雜降低材料的晶格熱導(dǎo)率,進(jìn)一步優(yōu)化了p型Bi SbTe材料的熱電性能。具體研究?jī)?nèi)容如下:1.通過(guò)熱壓燒結(jié)工藝制備了Bi SbTe-x wt%Ag SbTe₂（x=0,0.05,0.1,0.2）復(fù)合材料;AgSbTe₂復(fù)合在優(yōu)化載流子濃度的同時(shí)對(duì)載流子遷移率的影響較少,當(dāng)復(fù)合量為0.1 wt%時(shí),功率因子在300 K達(dá)到最大值46μW cm^-1

【文章來(lái)源】：燕山大學(xué)河北省

【文章頁(yè)數(shù)】：65 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

熱電發(fā)電與制冷的兩大效應(yīng)：塞貝克效應(yīng)和帕爾貼效應(yīng)

燕山大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文-2-效率。熱電材料轉(zhuǎn)換效率（η）是評(píng)價(jià)熱電器件好壞的主要標(biāo)準(zhǔn)，由材料的熱端溫度（Th），冷端溫度（Tc）以及平均熱電優(yōu)值（ZTave）決定。具體表達(dá)式如下：η=Th-TcTh[√1+ZTave-1√1+ZTave+TcTh]（1-1）由熱電材料轉(zhuǎn)換效率表達(dá)式可知，在冷端溫度Tc確定的情況下，熱電轉(zhuǎn)換效率η僅與熱端溫度Th和平均熱電優(yōu)值ZTave有關(guān)。如圖1-2所示，當(dāng)ZTave為定值時(shí)，Th越高，η越大，另一方面，當(dāng)Th為定值時(shí)，ZTave越大，η也越大。因此，當(dāng)溫差一定時(shí)，提高ZTave是提升材料熱電轉(zhuǎn)換效率的唯一方式。當(dāng)ZTave=1時(shí)，轉(zhuǎn)換效率可達(dá)10-15%。若ZTave達(dá)到2以上，熱電裝置的轉(zhuǎn)換效率就可比擬傳統(tǒng)的發(fā)電裝置。圖1-2在給定的冷端溫度下，熱電轉(zhuǎn)換效率隨熱端溫度的變化關(guān)系圖[5]目前，大多數(shù)的熱電材料的ZTave都低于1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到實(shí)際應(yīng)用的要求。另一方面，大量的理論研究表明，當(dāng)熱電優(yōu)值ZT能夠足夠大時(shí)，熱電材料的發(fā)電效率能夠無(wú)限逼近于卡諾循環(huán)效率，從而實(shí)現(xiàn)材料大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。因此，尋找并設(shè)計(jì)高性能的熱電材料，通過(guò)調(diào)控其組分與結(jié)構(gòu)來(lái)提高材料的熱電發(fā)電轉(zhuǎn)換性能具有重要的意義。1.2熱電性能評(píng)估參數(shù)與優(yōu)化策略1.2.1熱電性能評(píng)估參數(shù)1910年，德國(guó)科學(xué)家Altenkirsch首次提出“熱電優(yōu)值，Thermoelectricfigureof

第1章緒論-3-merit”這一詞，他認(rèn)為熱電材料應(yīng)當(dāng)具有以下幾點(diǎn)特征：高的塞貝克系數(shù)、高的電導(dǎo)率、低的熱導(dǎo)率。1955年，在前人的研究基礎(chǔ)上，前蘇聯(lián)科學(xué)家Ioffe提出無(wú)量綱優(yōu)值ZT與材料的Seebeck系數(shù)、電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率、溫度有關(guān)，并明確給出了如下的具體表達(dá)式[6]:ZT=S2σκT（1-2）其中，S是Seebeck系數(shù)（單位為uVK-1），σ是電導(dǎo)率（單位為Scm-1），是熱導(dǎo)率（單位為Wm-1K-1）。從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，材料的熱電優(yōu)值是由兩部分組成的，即電學(xué)性能和熱學(xué)性能，其中電學(xué)性能（S2σ）被定義為功率因子（PF），熱學(xué)性能由電子熱導(dǎo)率ele和晶格熱導(dǎo)率lat兩部分組成。圖1-3塞貝克系數(shù)S、電導(dǎo)率σ、功率因子S2σ、電子熱導(dǎo)率ele、晶格熱導(dǎo)率lat、總熱導(dǎo)率、ZT值與載流子濃度n的變化關(guān)系圖[7]圖1-3給出了各個(gè)熱電參數(shù)與載流子濃度之間的變化關(guān)系。材料中的塞貝克系數(shù)S、電導(dǎo)率σ、熱導(dǎo)率相互制約，呈現(xiàn)此消彼長(zhǎng)的變化趨勢(shì)。隨著載流子濃度的增大，電導(dǎo)率提高，而塞貝克系數(shù)會(huì)降低，熱導(dǎo)率也會(huì)提高。唯一獨(dú)立的參數(shù)是晶格熱導(dǎo)率lat，它僅與材料的比熱容、聲子傳輸速度以及聲子平均自由程有關(guān)[8]。從熱電優(yōu)值ZT曲線可以看出，當(dāng)材料的載流子濃度位于1019-1020cm-3之間時(shí)，ZT才能取得最大值�？偠灾挥芯C合考慮所有熱電參數(shù)，才能獲得最佳的熱電性能。

【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(bào)(自然科學(xué)版). 2015(01)
[2]熱電材料研究的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J]. 任志鋒,劉瑋書(shū).  西華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2013(03)

博士論文
[1]面向制冷和發(fā)電應(yīng)用的（Bi,Sb）2（Te,Se）3熱電材料：制備和性能優(yōu)化[D]. 徐釗君.浙江大學(xué) 2017
[2](Bi,Sb)2（Te,Se）3合金的多尺度微觀結(jié)構(gòu)及其熱電性能優(yōu)化[D]. 胡利鵬.浙江大學(xué) 2015



本文編號(hào)：3210211