掺杂Cu2Se基热电材料的制备与性能研究

作     者：李瀚洋 

作者单位：天津理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杜学丽

授予年度：2019年

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）] 

主      题：Cu2Se 元素掺杂 热电性能 微波烧结 

摘      要：随着社会的不断发展与进步,人类对于环境的影响越来越大。为了解决化石能源危机以及环境变暖等一系列问题。人类开始寻求有效的解决途径,热电材料是能够将电能与热能相互转化的功能材料,作为一种环境友好的新型材料,受到了广泛关注。其中,CuSe作为一种金属硫族化合物,具有电子液体-声子玻璃的特点,因此其具有较低的热导率。如果对其电性能进行优化改善,能进一步提高热电性能,因此采用与Cu半径相近的元素掺杂来提高热电性能。本文初步探究了Zn、Ni和S元素掺杂对于热电材料性能的改变以及粉体样品形貌对于相变的影响。(1)通过溶剂热法。将铜源与硒源按化学计量比,快速简便地合成出了β相的CuSe基粉体材料。将粉体材料通过冷等静压以及微波烧结的方法成功制备出了相结构稳定、晶粒尺寸均一且高致密度的块体热电材料。(2)在CuZnSe(x=0-0.020)体系中,少量的Zn能够固溶在CuSe化合物中,通过微波烧结后的样品结构致密,物相分布均匀,形成了层状结构,层状结构有利于增强长波声子的散射。同时,Zn的掺杂提高了电导率,掺杂所引起的晶格畸变能够有效地散射短波声子,从而优化热电性能。(3)在CuNiSe(x=0-0.025)体系中,选择Ni作为掺杂元素的原因有两方面,一方面Ni取代Cu,提高电导率的同时,也降低了材料的热导率;另一方面,由于Ni的离子半径与Cu相差不大,有利于通过溶剂热法实现Ni的掺杂。最终,Ni掺杂提高了电导率,但由于Seebeck系数降低的原因,导致功率因子与本征CuSe相比并未提高。(4)在CuSeS(x=0-0.015)体系中,S取代Se位点,由于S与Cu的键能大于Se与Cu之间的键能,因此S原子对于晶格中的Cu原子起到固定的作用,抑制了Cu离子缺陷的产生,降低了载流子浓度,此外由于载流子散射减弱的原因,载流子迁移率提高,因此电导率并未大幅下降。最终S元素的掺杂由于降低了载流子浓度和声子传播速度,导致电导率和热导率降低。