高压合成n型碲化铋基材料的载流子调控与热电性能优化

作     者：姜俊雪 

作者单位：燕山大学 

学位级别：硕士

导师姓名：于凤荣

授予年度：2021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：热电材料 载流子调控 高压合成 I掺杂 Pb掺杂 

摘      要：热电材料是一种利用固体内部载流子以及声子的运动,实现热能和电能直接相互转换的功能材料。在清洁能源与制冷等领域有着十分广阔的应用前景。BiTe基合金作为室温下性能最好的热电材料,一直以来备受人们关注。近年来p型Bi2Te3基材料的热电性能获得很大提升,相比之下,n型BiTe基热电材料的热电性能的提升较小,导致由p、n腿组合构成的热电器件的转换效率难以获得明显提升,制约了热电器件的大规模应用。因此,如何有效地改善n型BiTe基材料的热电性能成为了本文的研究重点。本文采用高压合成法合成n型BiTe基合金样品,结合对合金成分的调控以及适当的掺杂,增加声子散射的同时,调控载流子浓度,对n型BiTe基热电材料的性能进行了优化,同时与熔融法合成的相应组分n型BiTe基合金进行对比研究。在BiTe中引入Se,制备了BiTeSe合金化样品,研究了不同Se含量的BiTeSe样品中载流子浓度的变化;分别通过施主掺杂剂SbI引入I元素和受主掺杂剂Pb Te引入Pb元素对n型BiTeSe合金进行载流子调控,研究了SbI、Pb Te掺杂剂对基体性能的影响。具体工作如下:(1)分别采用熔融法和高压合成法合成BiTeSe合金,再结合放电等离子烧结技术制备了n型BiTeSe块材。通过XRD、SEM和TEM手段对样品物相结构、显微组织结构进行表征,并通过对样品的电阻率、Seebeck系数、热导率、霍尔系数的测定对样品的电、热输运特性进行研究分析。研究表明,BiTeSe与BiTe相比,由于存在合金散射,导致其具有较低的晶格热导率;在两种不同合成方法中,Se掺杂固溶对载流子呈现不同的调控规律,高压合成样品的电子浓度随着Se含量的增加而增加,熔融合成样品的电子浓度则呈现降低的变化规律。但均在Se含量x=0.3时,达到相对优化的载流子浓度。熔融合成的BiTeSe的ZT在383 K时获得最高值为0.65,比纯BiTe提高80.6%;高压合成的BiTeSe在403 K时获得最高ZT值为0.47,比纯BiTe提升147.4%。(2)分别在熔融和高压合成BiTeSe合金过程中进行SbI施主掺杂,再结合放电等离子烧结技术制备了I掺杂BiTeSe合金块材。SbI作为施主掺杂剂增大了材料的电子浓度,在适当的掺杂计量下提升了材料的功率因子;同时,异质离子I-引起的晶格畸变,增强了声子散射,有效地降低了晶格热导率。其中,SbI掺杂量为0.10 wt.%的熔融合成样品在423 K时获得最大ZT值0.75,298–543 K温度范围内的平均ZT值为0.67;掺杂量为0.03 wt.%的高压合成样品在463 K时获得最大ZT值0.60,其在298–543 K的温度范围内的平均ZT值为0.55。相比于熔融样品,高压合成样品微量的I掺杂便可引起较大的热电性能变化,展现了更为敏感的掺杂调控。(3)采用高压合成法结合球磨、放电等离子烧结技术,以Pb Te作为受主掺杂剂对BiTeSe合金进行Pb掺杂。Pb Te作为受主掺杂剂进一步优化了材料内部的载流子浓度,功率因子得到了提升,0.10 wt.%掺杂量样品在343 K时获得最大功率因子2.39 m WmK。Pb的掺杂引入合金散射,导致对声子散射作用的增强,从而降低材料的热导率。最终掺杂量为0.10 wt.%的样品在423 K时获得最大ZT值为0.81,比同温度下未掺杂样品提升了37.3%;平均ZT值为0.72,较未掺杂样品提升了35.8%。