纳米复合和载流子浓度优化调控MnTe材料热电性能研究

作     者：邓后权 

作者单位：南京理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：唐国栋

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：MnTe 纳米复合 载流子浓度 热电性能 

摘      要：热电转换技术是利用半导体材料直接将热能与电能进行相互转换的绿色能源技术。碲化锰(MnTe)材料具有元素无毒、来源丰富、低成本等优势,是前景广阔的环境友好型中温热电材料。本文围绕多晶MnTe通过纳米复合和载流子浓度优化调控热电性能进行研究。成功利用SnTe纳米晶调控MnTe材料能带,促进能带收敛和载流子多价带传输,大幅提升塞贝克系数,同时SnTe纳米晶增强声子散射,抑制晶格热导率,材料热电性能得到极大优化。Ge元素的掺杂有效提升载流子浓度增强电导率,引入点缺陷降低热导率,实现电声输运的协同优化。取得如下研究成果:1.通过熔炼和水热结合的方法制备得到MnTe-SnTe纳米复合材料,由于高本征锡空位的SnTe可以提高MnTe材料载流子浓度,并且引入的SnTe还调控MnTe材料能带,促使能带收敛,减少价带能量差,有效促进载流子的多价带传输,使得塞贝克系数大幅增强,协同提升的电导率和塞贝克系数导致功率因子得到显著提高。同时,SnTe纳米晶作为强声子散射中心显著增强了声子散射,在材料中获得了极低晶格热导率。最终通过协同调控优化MnTe材料的电声输运性能,MnTe-2%SnTe在873 K的ZT值提升至高达1.4,相较于纯MnTe多晶热电性能提升了133%。2.利用熔炼法制备得到了Ge掺杂MnTe多晶材料,由于Ge与Mn的电负性差异,Ge掺杂提高了载流子浓度,有效提高了MnTe材料的电导率和功率因子。同时Ge掺杂引入大量点缺陷,造成声子剧烈散射,晶格热导率显著降低。这使得多晶MnTe热电材料的电声输运得到协同优化。最终MnGeTe样品在873 K时的热电优值达到了0.86。