多元素掺杂优化SnTe的热电性能

作     者：苏浩健 周敏 李来风 

作者机构：中国科学院理化技术研究所低温科学与技术重点实验室 中国科学院大学材料科学与光电技术学院 

出 版 物：《无机材料学报》 (Journal of Inorganic Materials)

年 卷 期：2024年第10期

页      面：1159-1166页

核心收录：

学科分类：08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

基　　金：低温科学与技术重点实验室课题(CRYO20230203) 国家自然科学基金(51872299)~~ 

主　　题：碲化锡 热电材料 熵工程 超重力场辅助燃烧合成 

摘      要：热电材料可实现热能和电能的直接相互转换,在温差发电和半导体制冷领域具有广阔的应用前景。SnTe作为PbTe的无毒同族类似物,是一种极具潜力的中温区热电材料。本研究采用超重力场辅助燃烧合成（HG-CS）技术,结合放电等离子体烧结（SPS）制备多元素掺杂的SnTe基热电材料,系统研究了多元素掺杂对SnTe热电性能的影响规律和作用机制。在SnTe的阳离子位引入等价离子Ge2+和Pb2+,阴离子位引入S2-和Se2-,多元素掺杂引起大量晶格畸变点缺陷。同时,在超重力场下快速凝固带来的塑性变形引入了应力场和大量位错,从而形成了多级微观结构缺陷,强烈散射中高频声子,室温热导率从7.28 W·m-1·K-1（未掺杂SnTe）大幅下降到2.74 W·m-1·K-1(Sn0.70Ge0.15Pb0.15Te0.80Se0.10S0.10),在873 K时,其最小热导率仅为1.38 W·m-1·K-1。这些微结构缺陷散射声子的同时也散射载流子,导致载流子迁移率和电导率降低。值得一提的是,掺杂使SnTe的带隙减小,Seebeck系数提高,因此掺杂后材料的功率因子仍保持较高值。实验得到Sn0.70Ge0.15Pb0.15Te0.80Se0.10S0.10的最大热电优值（ZT）达到1.02（873 K）,与未掺杂的SnTe相比得到大幅提高。