Mg2Sn1-xBix热电材料单晶生长及性能研究

作     者：苏园园 

作者单位：山东大学 

学位级别：硕士

导师姓名：夏盛清

授予年度：2023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：Mg2Sn1-xBix热电材料 布里奇曼法 单晶生长 热电性能 

摘      要：世界日益增长的能源需求对其合理和有效利用提出了更高的要求。这也是许多工业过程所需要解决的问题,特别是低品位热能的回收和利用是其中的关键。热电器件不仅能够实现电能和热能之间的直接可逆转换,并且具有长寿命和可靠性,对废热回收和制冷应用具有重要意义,因此,寻求更高效和更低成本的热电材料对热电应用具有积极意义。在众多的热电材料中,Mg2X(X=Si,Ge,Sn)基热电材料具有无毒、低成本、高性能、无污染等优点,具有广阔的应用前景。目前,Mg2X基热电材料的研究主要基于多晶样品,然而多晶的热电性能受到晶界等缺陷的显著影响,因此不利于深入研究此类材料的本征热电性能。单晶具有极少的晶界、杂质等缺陷,并且其性能数据可与能带结构建立直接的联系。因此,生长大尺寸的体块单晶进行相关研究对于理解材料的性能具有极大的优势。本文报道了利用布里奇曼晶体生长技术实现了高质量Mg2Sn1-xBix体块单晶的生长以及相关热电性能的研究。主要研究内容概括如下:1.探索了布里奇曼法生长MgSn1-xBix体块单晶的工艺。由于Mg2X材料的特殊性,Mg元素易挥发导致化学组分偏离,严重影响了材料的热电性能。而且Mg元素易与石英、氧化铝坩埚及石墨反应,这对原料合成和晶体生长提出了更高的要求。采用改进的Bridgman法,通过高温原位注入多晶料进行晶体生长,避免了上述问题,成功实现了Mg3Bi2基材料的高质量单晶生长。根据此方法进一步探索Bi-Mg2Sn单晶的生长工艺,包括多晶前驱体的合成,设计生长装置,寻找合适的生长条件(温度梯度、下降速率以及合适的上下温区温度),最终得到质量优良的体块单晶。2.系统地研究了 Mg2Sn0.99Bi0.01沿[110]和[111]方向的热电性能。基于之前的研究,Bi掺杂可能导致晶格畸变和载流子浓度变化,显著影响电和热传输性能。并且,在相关的研究中,有人认为Mg2X表现出各向异性的热电性能。然而,相关的研究开展很少,特别是对Mg2Sn1-xBix单晶各向异性的研究还很有限。高质量Mg2Sn1-xBix大块单晶的生长,可以系统地研究各向异性的电和热输运性质。这对于理解这种新型热电系统的结构-性质关系尤其有价值。3.生长了不同Bi含量的单晶,进行了相应的单晶质量表征并系统比较了Mg2Sn0.99Bi0.01与Mg2Sn0.98Bi0.02组分样品沿[111]方向的热电性能,分析了 Bi掺杂量对热电性能的影响。