SnSe块体热电材料的制备及性能调控

发布时间：2020-07-27 14:48

【摘要】：热电材料是一种能够直接实现电能与热能之间相互转换的功能材料,在能源转换领域具有广泛的应用前景。单晶硒化锡(SnSe)是近年来一种新兴的热电材料,具有低的热导率和高的ZT值,成为热电材料研究的热点之一。而目前在SnSe多晶材料中,较低的电导率限制了其热电性能提高,成为人们亟待解决的问题。本文采用快速感应熔炼结合快速感应热压(RIM+RHP)法制备了多晶SnSe基材料,研究用低维层状MoS2/graphene纳米材料调节SnSe的层状结构及用NaCl、KBr等碱金属卤化物实现对SnSe的有效掺杂,提高了 SnSe多晶材料的热电性能。主要内容及结论如下:1、研究了层状MoS2/G纳米材料复合对SnSe材料热电性能的影响。通过RIM+RHP 法制备了 SnSe-x wt%MoS2/G(x=0,0.2,0.4,0.8,1.6,3.2)系列复合样品,发现MoS2/G复合后在样品中形成非晶相界面、亚稳相条纹及层状MoS2纳米颗粒等微结构。SnSe-3.2 wt%MoS2/G样品在423 K时电导率达到70.9 Scm-1,ZT值在810 K时提高到0.98,表明层状MoS2二维材料可以有效调节SnSe的电学和热学输运,提高SnSe材料的热电性能。2、研究了 NaCl掺杂对SnSe材料热电性能的影响。用RIM+RHP法制备了NaxSn1-xSeClx(x=0,0.005,0.01,0.02,0.03,0.04)系列样品,结果显示,Na+和Cl-共掺不仅提高了多晶SnSe的电导率,同时共掺引入的缺陷进一步降低了 SnSe材料的热导率,使得Na0.005Sn0.995SeCl0.005样品的ZT值在810K时达到0.84。3、研究了 KBr掺杂对SnSe材料热电性能的影响。用RIM+RHP法制备了KxSn1-xSeBrx(x=0,0.01,0.02,0.03,0.04,0.05,0.06)系列样品,发现 KBr 能提高多晶SnSe材料的载流子浓度,样品K0.05Sn0.95SeBr0.05在373 K时电导率达到39.1 Scm-1,在810 K时晶格热导率仅为0.26 W/(m ·K),使得ZT值达到0.85。4、比较了 NaM(M=Cl,Br,I)和KM(M=Cl,Br,I)不同卤化物掺杂对多晶SnSe热电性能的影响。发现在2mol%NaM(M=Cl,Br,I)样品中,Br的掺入更有效的提高SnSe热电性能,Na0.02Sn0.98SeBr0.02样品ZT值在810K时提高到1.15;而在5mol%KM(M=Cl,Br,I)样品中,Cl掺杂时SnSe材料的热电性能最优异,样品K0.05Sn0.95SeCl0.05 在 810K 时 ZT 值到达 1.32。
【学位授予单位】：浙江师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB34
【图文】：

中将会产生温差电动势，这样就实现了温差发电。逡逑１．２．２邋Ｐｅｌｔｉｅｒ邋效应逡逑Ｐｅｌｔｉｅｒ效应是把电能转化为热能，是Ｓｅｅｂｅｃｋ效应的逆效应。如图１．２邋ａ在逡逑由Ａ、Ｂ两导体材料构成的回路中通以电流时，接触点的温度会发生变化，出现逡逑吸热或放热现象，这种现象叫做Ｐｅｌｔｉｅｒ效应。研究表明，接触点处吸收或放出的逡逑热量只与材料的性质和接头处的温度有关，吸热或放热的速率Ｑ与回路中的电逡逑流Ｉ成正比，即Ｑ＝ｔｔＩ，其中７：是Ｐｅｌｔｉｅｒ系数，单位是Ｖ，可表示为：逡逑１邋（１．２）逡逑２逡逑

由１．１７式可知，ＺＴ值与半导体的载流子浓度，迁移率，载流子散射机制，逡逑参数０等密切相关。只有使载流子浓度达到一个最佳值，才能得到较好的ＺＴ值。逡逑如图１．３分别给出的是电导率、Ｓｅｅｂｅｃｋ系数、热导率、功率因子以及ＺＴ值随温逡逑度的变化。由图可知最大ＺＴ值对应的最佳载流子浓度在１０１９￣１０２ＱＣｍ－３，在该载逡逑流子浓度范围下进一步协同优化其他热电性能参数是提高材料ＺＴ值的重要手逡逑段。逡逑７逡逑

Ｐｏｓｉｔｉｏｎ邋ｉｎ邋ｓｐａｃｅ逡逑图１．４晶体基体内引入共振杂质后的能级变化逡逑如图１．４所示，在晶体中掺入杂质原子后，材料原有周期性结构被改变，其逡逑能带中将会形成多余的附加能级（即共振态）。如在ＰｂＴｅ材料中，通过掺杂２％的逡逑Ｔ１，观察到了态密度的增加，使得材料的Ｓｅｅｂｅｃｋ系数明显的增加，从而使材料逡逑的ＺＴ值达到了邋１．５【１３１。逡逑（２）、能带收敛（Ｂａｎｄ邋ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ）逡逑理论研究表明，材料态密度的有效质量ｍ＊越大，材料的Ｓｅｅｂｅｃｋ系数就越逡逑大。通过提高能带简并度可以增加材料的态密度的有效质量ｍ＊。如在ＰｂＴｅ材料逡逑中，由于ＰｂＴｅ的价带是双价带（如图１．５所示），一个轻空穴带，一个重空穴带，逡逑当温度升高时轻空穴带顶会向重空穴带移动，在一定的条件下，可以使轻重空穴逡逑带间距离缩小，提高能带的简并数量，这样可以提高其Ｓｅｅｂｅｃｋ系数，使用这样逡逑方法己将ＰｂＴｅ的ＺＴ值提高到１．６￣１．８［１４】。逡逑３逦ｂ逦＼0Ｊ邋Ｗｒ（Ｋ＞逡逑－－０－２逡逑图１．５（ａ）、（ｂ）分别是ＰｂＴｅ第一布里渊区及双价带模型示意图％逡逑９逡逑

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本文编号：2771985