SnSe基复合热电材料制备新技术探索及热电性能研究
发布时间：2020-12-03 06:31
能源短缺是制约我国经济社会发展的重要因素,其关乎着我国经济的可持续发展和国家安全,因此开发新型清洁能源及新能源转换技术刻不容缓。热电材料是一种可利用材料Seebeck效应和Peltier效应实现热能和电能直接相互转换的新型能源材料,由于其在能源转换及新能源领域具有广泛的应用价值,近三十年来已成为能源转换领域的一个重要研究方向。而当中的SnSe基化合物由于其具有优异的热电性能,近年来已成为一个研究热点。目前采用布里奇曼法制备的层状单晶p型SnSe化合物,其沿晶体学b轴方向,ZT值在923 K时可达2.6,这是目前块体热电材料中报道的最高ZT值。虽然单晶SnSe材料具有优异的热电性能,但是其制备周期较长,且单晶材料由于具有高度的取向性,其在沿bc面容易发生解理,导致其力学性能和机械加工性较差,不利于热电器件的实际应用。因此,如何超快速制备出具有优异力学性能及热电性能的SnSe材料对该材料的规模化应用至关重要。本文以SnSe基化合物为研究对象,针对SnSe单晶材料制备周期长,力学性能差等问题,首次将自蔓延燃烧合成技术（SHS）应用于SnSe基热电材料中,并且结合等离子活化烧结技术（PAS）,...
【文章来源】：武汉理工大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：157 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
热电材料的各输运参数（电导率σ、功率因子S2σ、热导率κ、热电优值ZT）
武汉理工大学博士学位论文起着提供载流子作用，而未掺杂层起着电子输运通道的作用。掺杂可以载流子浓度从而提高材料的电导率，但高浓度的掺杂剂本身会对载流子碍作用，降低载流子迁移率，因而通过调制掺杂可以使掺杂剂与载流子分地解决了载流子迁移率问题[49, 51, 58, 122]。但是调制掺杂在高温长期作用下子扩散，材料成分会逐渐趋于均匀。对于有些掺杂上限太小无法达到载流子的最优值，可以通过固溶的方法元素的上限，同时固溶后，会在原本的晶格中引入大量点缺陷，这些点短波声子引起强烈散射，从而降低材料的晶格热导率，这对于高热导体有效提高性能的途径[123-125]。Mg2IV（IV=Si，Ge，Sn）、Half-Heusler 合Gex合金均是重要的固溶体类热电材料。
图 1-3（a）SnSe 在室温下 Pnma 晶体结构沿 a 轴方向；（b）SnSe7配位多面体，3 个短 Sn-Se键，4 个长 Sn-Se 键；（c）（d）SnSe 沿 b 轴和 c 轴的晶体结构示意图[110]Fig. 1-3 (a) SnSe crystal structure Pnma at room temperature along the a axis and (b) highlydistorted SnSe7coordination polyhedron with three short and four long Sn-Se bonds; (c and d) SnSecrystal structures along the b axis and c axis.[110]SnSe 晶体内存在两个原子厚的 SnSe 层（沿 b-c 平面），在层的平面内以较强的 Sn-Se 键连接，而沿 a 方向用较弱的 Sn-Se 键连接。从图 1-3（b）可以看出，该结构包含高度扭曲的SnSe7配位多面体，其中有三个短的和四个长的Sn–Se键，在四个长的 Sn–Se 键空间内容纳了一对 Sn2+的 5s2。SnSe 化合物沿 b-c 面存在两原子层结构，产生了一种沿 b 轴方向的呈锯齿形独特的风琴状结构，由于弱 Sn-Se键的作用使得该结构容易沿（100）面解理。从高温冷却时，SnSe 在 750–800 K时由对称性高的 Cmcm 相转变成对称性较低的 Pnma 相，该过程为位移性相变。Pnma 的晶体结构与 Cmcm 的晶体结构相比，体积膨胀约 2.5 %，这会导致在晶体生长过程样品的破坏。Pnma 相的晶包参数沿 a，b 和 c 轴方向分别为 a=11.49 ，
本文编号：2896136
【文章来源】：武汉理工大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：157 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
热电材料的各输运参数（电导率σ、功率因子S2σ、热导率κ、热电优值ZT）
武汉理工大学博士学位论文起着提供载流子作用，而未掺杂层起着电子输运通道的作用。掺杂可以载流子浓度从而提高材料的电导率，但高浓度的掺杂剂本身会对载流子碍作用，降低载流子迁移率，因而通过调制掺杂可以使掺杂剂与载流子分地解决了载流子迁移率问题[49, 51, 58, 122]。但是调制掺杂在高温长期作用下子扩散，材料成分会逐渐趋于均匀。对于有些掺杂上限太小无法达到载流子的最优值，可以通过固溶的方法元素的上限，同时固溶后，会在原本的晶格中引入大量点缺陷，这些点短波声子引起强烈散射，从而降低材料的晶格热导率，这对于高热导体有效提高性能的途径[123-125]。Mg2IV（IV=Si，Ge，Sn）、Half-Heusler 合Gex合金均是重要的固溶体类热电材料。
图 1-3（a）SnSe 在室温下 Pnma 晶体结构沿 a 轴方向；（b）SnSe7配位多面体，3 个短 Sn-Se键，4 个长 Sn-Se 键；（c）（d）SnSe 沿 b 轴和 c 轴的晶体结构示意图[110]Fig. 1-3 (a) SnSe crystal structure Pnma at room temperature along the a axis and (b) highlydistorted SnSe7coordination polyhedron with three short and four long Sn-Se bonds; (c and d) SnSecrystal structures along the b axis and c axis.[110]SnSe 晶体内存在两个原子厚的 SnSe 层（沿 b-c 平面），在层的平面内以较强的 Sn-Se 键连接，而沿 a 方向用较弱的 Sn-Se 键连接。从图 1-3（b）可以看出，该结构包含高度扭曲的SnSe7配位多面体，其中有三个短的和四个长的Sn–Se键，在四个长的 Sn–Se 键空间内容纳了一对 Sn2+的 5s2。SnSe 化合物沿 b-c 面存在两原子层结构，产生了一种沿 b 轴方向的呈锯齿形独特的风琴状结构，由于弱 Sn-Se键的作用使得该结构容易沿（100）面解理。从高温冷却时，SnSe 在 750–800 K时由对称性高的 Cmcm 相转变成对称性较低的 Pnma 相，该过程为位移性相变。Pnma 的晶体结构与 Cmcm 的晶体结构相比，体积膨胀约 2.5 %，这会导致在晶体生长过程样品的破坏。Pnma 相的晶包参数沿 a，b 和 c 轴方向分别为 a=11.49 ，
本文编号：2896136
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