Ge 1–x In x Te微观结构对热电性能的影响

发布时间：2021-10-31 12:33

　　在GeTe中掺杂In能够引入共振能级,但其微观结构对热电性能的影响还不明确。本研究采用熔炼–淬火–退火并结合放电等离子体烧结（SPS）的方法制备了系列Ge_1–xIn_xTe样品,采用XRD、SEM、激光导热仪和热电性能分析系统（ZEM-3）对其微观结构和热电性能进行了研究。结果表明,随着In元素的掺入,Ge_1–xIn_xTe的晶胞体积减小、人字鱼骨结构变小、晶界增多,导致晶格热导率降低,获得的最低热导率为2.16 W·m^–1·K^–1。同时,掺杂In引入了共振能级,降低了载流子浓度,使塞贝克系数以及功率因子增大。当In掺杂量x为0.03时, Ge_1–xIn_xTe在600 K时获得最大ZT值1.15,比GeTe提升了26.4%,表明调整Ge_1–xIn_xTe的微观结构可以有效提升热电性能。 

【文章来源】：无机材料学报. 2020,35(08)北大核心EISCICSCD

【文章页数】：7 页

【部分图文】：

Ge0.97In0.03Te的EDS分析结果

图5(a)为Ge1–xInxTe的电导率(?)随温度的变化曲线。随着温度的升高,样品(除x=0.10外)的?逐渐下降,这是典型的简并半导体(重掺杂、窄带隙)的特征[21]。同时,随着In含量的增加,?逐渐下降,这是因为In逐渐取代了晶格中Ge的位置,使载流子浓度从1.632×1021下降到4.083×1020 cm–3(如表3所示),迁移率从35.31降低到5.521 cm2·V-1·s-1。此外,由于固溶度有限,随着In的增加,In原子进入晶格的难度增大,?的变化趋势逐渐趋于稳定。当x=0.10时,Ge原子以第二相的形式析出。这是因为In的电负性(1.78)小于Ge的电负性(2.01)[26],Te优先与In结合,Ge的空位大量减少,使载流子的浓度急剧下降[18]。x=0.10时,?随温度升高逐渐增大,是因为Ge第二相对载流子的输运造成了阻碍,随着温度升高,第二相逐渐溶解,阻碍减弱,?增大。图5 Ge1–xInxTe的热电性能

图1(a)为不同In掺杂量粉体样品的XRD图谱。当x=0.10时析出Ge第二相,其余样品的衍射峰均与GeTe标准卡片(PDF47-1079,R3m)相对应,表明粉体的纯度较高。为了进一步研究样品物相结构的差异,对GeTe的特征峰(024)、(220)[21]进行局部放大,可以看出随着In含量的增加,(220)衍射峰逐渐向低角度方向移动,而(024)衍射峰逐渐向高度角方向移动,由布拉格方程2dsinθ=nλ可知,(220)对应的晶面间距逐渐增大,(024)对应的晶面间距逐渐减小。因为In进入GeTe中占据Ge的位置,造成不同原子面发生了不同程度的畸变,产生了质量波动[11,13],增强了对声子的散射作用,从而降低了晶格热导率。为了获得更加准确的晶格常数的变化规律,对XRD结果进行精修[22],数据如表1所示,随着In含量的增加,晶格常数逐渐减小,造成晶胞体积减小。这是因为In的离子半径(0.062 nm)小于Ge的离子半径(0.073 nm)。图1(b)为烧结后块体样品的XRD图谱,可以看出仍为菱方结构的GeTe,未产生杂相,说明烧结过程没有改变样品的物相结构。2.2 XPS价态分析

【参考文献】：
期刊论文
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本文编号：3468142