铅掺杂铋铜硒氧的微波合成与热电性能研究

发布时间：2021-11-18 04:44

　　采用微波加热合成结合放电等离子烧结制备出Bi_1-xPb_xCuSeO（x=0,0.2,0.3）热电块体样品,并对它们的物相组成、微观结构、电输运机制和热输运机制进行了研究。研究结果表明,采用微波加热成功合成出高纯度Bi_1-xPb_xCuSeO,随后采用放电等离子体烧结获得了元素分布均匀、相对致密度99%的块体样品;Bi位铅的掺入显著降低了样品电阻率,导电性随铅浓度的增加而提高,Bi_0.7Pb_0.3CuSeO的电阻率仅为4.6～9.3μΩ·m;塞贝克系数有所降低,但功率因子大幅提高至约800μWm^-2·m^-1;Pb掺杂降低了样品晶格热导率,但由于导电性的提高导致电子热导率增高,使得掺杂样品总热导率略高于未掺杂样品;由于综合电性能的显著提高,Bi_0.2Pb_0.8CuSeO在773 K获得最大热电优值0.54,相比未掺杂样品提升25%。 

【文章来源】：功能材料. 2020,51(08)北大核心CSCD

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【部分图文】：

Bi1-xPbxCuSeO样品XRD图谱

图1 Bi1-xPbxCuSeO样品XRD图谱图2显示了Bi1-xPbxCuSeO块体断裂表面的SEM图像,由图可看出,样品由板条状的微颗粒组成,堆积紧密, 没有明显的烧结孔洞,与其层状晶体结构相符。晶粒排布没有明显的取向性,表明其各向异性。与文献中所描述晶体结构相符合[18]。(a)图为空白样,其晶粒宽度范围在3～5 μm可明显观察到经掺杂后的样品条状结构更为显著,随掺杂量的增多,晶粒平均尺寸显著减少,晶粒宽度范围在1～3 μm。虽然晶粒细化后会影响载流子迁移率,但是由于掺杂引入大量的载流子,使载流子浓度大幅度提升,从而改善样品的电性能;同时晶粒细化后晶界增多,更容易发生晶界散射,有助于减少晶格热导率。如图3所示为Bi0.7Pb0.3CuSeO样品中各元素位置分布情况,可看出各元素均匀的分布在样品中,并无明显的集聚现象。此结果与XRD图谱结果一致,说明Pb原子被很好地掺杂进入BiCuSeO晶格内。上述结论可表明4 min微波合成结合5 min放电等离子体烧结可以获得元素分布均匀的热电块体。

图4(b)为Bi1-xPbxCuSeO样品Seebeck系数随测试温度升高的趋势图,可看出,Seebeck系数在测试温度区间内均大于0,为明显的P型导电特性。纯BiCuSeO表现出较高的Seebeck,这可归因于电荷载流子的二维限域效应;在整个测试温度区域,Seebeck系数随着掺杂水平的提升而降低,773 K最高由350.761 μVK-1降到80.365 μVK-1。图4(c)为Bi1-xPbxCuSeO样品功率因子随测试温度升高的趋势图,可以看到掺杂后的样品功率因子提升显著,Bi0.7Pb0.3CuSeO虽获得了极低的电阻率,但同时Seebeck系数下降过低最终导致功率因子上升不明显;Bi0.8Pb0.2CuSeO样品具有优良的导电性和适中的Seebeck,其功率因子在773 K时,获得最大功率因子 806.110 μWK-2·m-1,是同温度下纯BiCuSeO的2.03倍。


本文编号：3502232