微结构调控对GeTe热电性能的影响
作者单位：广州大学
学位级别：硕士
导师姓名：郭凯
授予年度：2024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）]
摘 要：人与自然的可持续发展已经成为全人类的共识。随着煤炭、石油和天然气三大化石燃料的不断消耗和枯竭,我们迫切需要开发新的清洁能源来解决当前的能源危机和环境恶化问题。清洁能源是指在使用过程中不产生或产生较少污染物的能源形式。目前开发的有太阳能、风能、水力能、生物质能和地热能等。其中太阳能作为一种无穷无尽的能源,几乎无处不在,且在使用过程中不会排放任何有害物质,对环境友好。然而,太阳能的收集受到天气条件的限制,如阴雨天和夜晚都会影响其发电效率。此外,太阳能设备的安装和维护成本可能较高,且需要占用较大的土地面积。风能是一种广泛分布的可再生能源,且风力发电过程中不会产生污染物。但由于受风速影响,其发电效率不稳定。同时,风力发电设备的安装和维护成本也可能较高,且大规模的风电场可能会对生态环境造成一定影响。水力能、生物质能和地热能等其他清洁能源也因为对生态带来负面影响、能源密度低和地理分布不均等因素具有一定的局限性。因此,开发新的能源就成为了当前的研究重点。 热电材料是一种能将热能和电能相互转换的功能材料,随着能源危机和环境污染问题的加剧,热电材料作为一种高效、环保的能源转换方式备受推崇。热电性能通过无量纲品质因数z T=（S2σ/κ）T进行评估,其中S、σ、κ和T分别表示塞贝克系数、电导率、总热导率和绝对温度。高效的热电材料通常具备较低的热导率和较大的功率因数（PF,S2σ）。然而,这些参数是密切相关的,这是由于它们受电子和声子系统的协调控制所导致。电导率的增加通常会导致塞贝克系数的降低。同样,热导率的降低往往会导致电导率的降低,所以寻找到有效的解耦方法尤为重要。研究表明,通过引入微量纳米复合第二相,可以通过界面声子散射有效降低材料的热导率。综上,本文通过球磨复合等手段调控材料的晶粒大小和引入纳米第二相,实现电性能与热性能一定程度上解耦,降低热导率从而提升GeTe基热电材料的性能,具体研究工作如下: 1.本工作研究了球磨工艺以及纳米Cu粉复合GeTe热电性能的影响。实验中设定了600 r/min的转速,并分别对GeTe基体进行了0.5 h、1 h、2 h、4 h和6h的球磨处理。结果显示,随着球磨时间的延长,GeTe材料的导电性呈现出轻微的下降趋势。这一现象主要归因于晶粒细化导致的载流子散射增强。值得注意的是,当球磨时间达到4 h时,在室温300 K下,晶格热导率显著降低,从3.02Wm-1K-1降至1.5 Wm-1K-1。同时,功率因子（PF）相比基体略有提升,这使得样品在673 K时的最大z T值从0.8提升至1.0。在确定了4 h为最佳球磨时间后,我们进一步利用纳米Cu粉进行复合工作,并探究了复合后的性能变化。纳米Cu粉的引入为样品提供了额外的一个电子,有效地优化了载流子浓度,从而显著提升了电性能。此外,由于载流子热导率的降低,总热导率也得到了明显的降低。这些优化措施共同促使样品的z T值于673 K时从1.0提升至1.35,平均z T值更是在300-750 K内由复合前的0.3跃升至0.55,增幅高达83%。这些研究结果充分展示了纳米Cu粉复合在提升GeTe基复合材料热电性能方面的显著效果,为热电材料领域的发展开辟了新的途径。 2.本研究引入了多尺度缺陷以进一步降低GeTe的热导率,其中包括掺杂锑（Sb）和复合纳米级碳化硅（Si C）,以提高其热电性能。首先,通过掺杂锑,优化载流子浓度并引入点缺陷使得短波长声子散射得到加强。随后,利用纳米碳化硅第二相散射中长波声子,进一步抑制了晶格热导率。纳米第二相的引入旨在增强低频声子的散射,而与碳化硅的复合则有助于细化晶粒结构,强化晶界散射,增强对中低频声子的散射效果。最终,在800 K时,Klat约0.4 Wm-1K-1,比原始GeTe低47%。因此Ge0.92Sb0.08Te+0.2 wt%Si C样品在800 K时的z T峰值高达～1.82,比原始GeTe提高了1.8倍。虽然与文献报道的结果相比,本工作的z T不是最高的,但本策略可广泛应用于其他热电材料,具有重要的实际应用推广价值。
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