各向异性SnSe基热电材料制备及物性研究

发布时间：2020-07-14 09:30

【摘要】：21世纪工业化发展使能源消耗愈发严重,寻找新型绿色能源材料迫在眉睫。热电功能材料可以实现热能和电能的相互转换,针对目前存在的大量废热损失,提供了再利用的可能性。SnSe作为热电材料之一被广泛研究,其单晶热电优值高达2.6,成为高性能热电材料之一,但单晶不适合大规模生产、制备复杂、机械性能差,因此制备SnSe多晶并改善其热电性能成为国内外相关研究热点。本文采用水热合成法,以一种成本低廉、无添加剂、方法简便的合成工艺制备高度择优取向的多晶片层状SnSe粉体,其择优取向高达0.64,最强峰(400)峰与次强峰(111)峰的比值为9.85,并提出片状粉体水平生长和垂直生长的两个阶段,此为首次对热电材料粉体择优取向的探讨和表征。通过等离子放电烧结将水热法制备粉体烧制成织构化块体,与真空熔炼法制备SnSe粉体烧结块体进行性能对比。结果表明水热合成粉体制备的织构化块体内部晶粒排布整齐,形成特殊“之”字型织构化组织,而熔炼法合成粉体制备的块体内部晶粒无规则排布相比,织构化块体在载流子输运及声子散射方面改善显著,热导率低,电导率高,在平行压力轴方向获得最高ZT值0.67(为无规则块体的2.16倍)。为提高多晶SnSe本征电导率,对SnSe粉体分别进行Cu2-xSe和Au复合处理。对水热制备SnSe进行Cu2-xSe复合,在垂直压力轴方向,Cu2-xSe复合提供富裕载流子,在低温区电导率改善作用明显;而由于Cu2-xSe载流子散射作用抵消了载流子增多带来的电导率增益,故其在高温区改善作用并不明显。在平行压力轴方向,虽然SnSe在该方向以范德华力结合,载流子输运传导通路不畅,但是其在中温区受到热激发作用下,Cu2-xSe提供的额外载流子仍可对电导率有所增益。然而由于热导率的显著增加,Cu2-xSe复合对热电性能的改善效果并不理想。对熔炼制备SnSe粉体进行Au复合,发现Au复合使得块体沿平行压力轴方向热电性能得到显著改善,其ZT值达到0.73,相对空白试样提高大约3.6倍。主要原因在于平行压力轴方向,Au复合增加了声子散射,降低热导率;同时Au复合形成了片层间的有效传导通路,显著改善材料的电导率,使其热电性能最终得到极大改良。
【学位授予单位】：山东科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB34
【图文】：

优值,塞贝克系数,热电,功率因子

逦（１．４）逡逑由上述公式可知，表征热电材料本身性质的这三个参数相互影响、关联。其具体关逡逑系如图１．２所示，材料载流子浓度提高，其导电率则会相应提高，而塞贝克系数则反而逡逑会降低，同时又由于电子热导率的提高，使材料的总热导率提高。因此，难以通过对单逡逑一参数的调整，来优化材料的热电优值，必须在统筹各影响因素的前提下，热电优值才逡逑有提高的可能。逡逑悘逡逑１０Ｕ邋１0１＊邋１0２0邋１0２１逡逑Ｃａｒｒｉｅｒ邋ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ邋（ｃｍ邋｝）逡逑图１．２塞贝克系数、电导率、热导率、功率因子、热电优值间的相互联系Ｍ逡逑Ｆｉｇ．ｌ．２邋Ｔｈｅ邋ｉｎｔｅｒｒｅｌａｔｉｏｎ邋ｂｅｔｗｅｅｎ邋ｓｅｅｂｅｃｋ邋ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ＊邋ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ，邋ｔｈｅｒｍａｌ邋ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ，逡逑ｐｏｗｅｒ邋ｆａｃｔｏｒ，邋ａｎｄ邋ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ邋ｖａｌｕｅ．逡逑而近年来，新型绿色能源技术大力发展，热电材料研宄领域也掀起了一股热潮，如逡逑图１．３所示，２０００年以来各种热电材料的ＺＴ均有极大的提高，在ＰｂＴｅ、Ｃｕ２－ｘＳｅ、逡逑ＳｎＳｅ等体系中，个别热电材料的最大ＺＴ已经达到２．０、甚至高于２．０ＭＩ。但是对于大逡逑部分的热电材料而言

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d稿义蠚Eｒ逡逑图１．４邋Ｂｉ２Ｔｅ３晶体结构及原子层排布示意图１３９１逡逑Ｆｉｇ，１．４邋Ｂｉ２Ｔｅ３邋ｃｏｓｔａｌ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ａｎｄ邋ａｔｏｍｉｃ邋ｌａｙｅｒ邋ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ邋ｄｉａｇｒａｍ．逡逑１．４．２ＰｂＴｅ热电材料逡逑ＰｂＴｅ是ＩＶ－ＶＩ族窄禁带热电材料，其结构如图１．５所示为ＮａＣｌ型晶体结构，属于逡逑Ｆｍ３ｍ空间群，原子间结合键为金属键，适用于中温区热电应用。该材料的早期研宄主逡逑要通过掺杂来优化ＰｂＴｅ的功率因子，后来在２０世纪９０年代，纳米结构的应用使其热．逡逑电性能得到极大优化。２００４年，Ｈｓｕ［４３】等对ＰｂＴｅ进行Ａｇ和Ｓｂ掺杂，在块体材料内部逡逑引入大量纳米相，声子散射加强，晶格热导率显著下降，在８００Ｋ时ＺＴ值为２．２。２００８逡逑年，Ｈｅｒｅｍａｎｓ［４４】等对ＰｂＴｅ进行Ｔ１掺杂，发现靠近费米能级产生局域共振态，导致材逡逑料局部态密度增大

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