碲化锗基化合物的结构及其热电性能研究
发布时间：2022-01-15 08:32
近十几年来,世界人口的快速增长和全球经济的高速发展带来的能源危机和环境污染问题日益严重,所以开发环境友好型新能源材料及其转换技术已经成为国际上关注的重要课题。热电转换技术具有体积小、无噪音、无污染等优点,在汽车尾气废热利用、工业废热发电等领域有着广泛的应用前景,从而受到了研究者的广泛关注。热电材料作为热电转换技术的核心,目前性能优值还比较低,ZT值基本在1左右徘徊。因此,大幅度提高材料的热电性能是所有热电材料研究人员共同面临的挑战。本论文以p型GeTe基化合物为研究对象,针对GeTe材料存在相变温度高、载流子浓度大和热导率高等问题,通过在GeTe化合物中固溶MnTe、掺杂Sb,研究MnTe固溶和Sb掺杂对GeTe化合物相组成、相转变及热电性能的影响规律。同时通过在GeTe化合物中固定MnTe含量调节Sb含量来优化材料的热电性能,研究MnTe和Sb共掺杂对GeTe化合物性能的影响规律。以下为本论文的主要内容和研究成果:针对在GeTe中固溶MnTe,重点研究了相组成、相转变、磁性、能带结构及其热电传输性能的变化规律。研究发现样品逐渐从菱方相结构转变为立方相结构,相转变的温度逐渐降低至接近室...
【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】：105 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
（a）Seebeck效应的热电循环示意图（b）Peltier效应的热电循环示意图
1.2.1 Zn4Sb3基热电材料β-Zn4Sb3因为其低热导率和廉价无毒的组成元素被认为是最有发展前景的中温热电材料之一。Zn4Sb3有三种结构相，分别为 α、β 和 γ-Zn4Sb3，这三种相分别对应的稳定温度是低于 263 K、263 K 到 765 K 和高于 765 K。β-Zn4Sb3为 p型半金属材料，有较高的功率因子，在 675 K 时为 13 μWm-1K-2。β-Zn4Sb3具有电子晶体的性质，同时在 300 K 时热导率低至 0.9 Wm-1K-1，类似于声子玻璃的特性，在 675 K 时取得最大 ZT 值为 1.40。β-Zn4Sb3为菱方相，a=12.231 ，c=12.428 ，空间群为 R-3c。β-Zn4Sb3的晶胞中，有 30 个 Sb 原子，Zn 原子有四种不同的位置：占据格点位置的 Zn1 和占据空隙位置的 Zn2、Zn3 和 Zn4，Zn 原子在整个晶胞中的数目为 39，因此β-Zn4Sb3实际上是 Zn39Sb30或者 Zn13Sb10，如图 1-2 所示。β-Zn4Sb3的低热导率主要源于如下几个方面：（1）间隙位置的 Zn 有较大的热位移，类似于玻璃的间隙位置，能够有效的散射声子起到降低晶格热导率的作用。（2）Sb 原子在 c 轴的无序排列能有效的增强合金化散射进一步降低晶格热导率。
最大功率因子对应的温度逐渐移动至高温，说明通过能带结构调控和全尺度微结构调控的方法能提高材料的 ZT 值。2017 年，张文清教授组[60]报道，在 Na 掺杂的 PbTe-SrTe 中加入 Mn 能提高材料的热电性能。在 Pb 位加入 Mn 能够增大带隙同时增强价带简并度，这使得在室温下，Seebeck 系数和功率因子增加，电导率降低，电子热导率也降低。同时在 PbTe 基体中固溶 MnTe 能够引入小角晶界，因此使得声子散射增强，显著降低样品的晶格热导率，最终 4 at% Mn 样品的 ZT 值达到 1.98，平均 ZT 值相对于为掺杂 Mn 的样品提高 18%。
【参考文献】：
期刊论文
[1]La掺杂n型Mg2Si基半导体的热电性能研究[J]. 张倩,朱铁军,殷浩,赵新兵. 功能材料. 2008(12)
本文编号：3590282
【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】：105 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
（a）Seebeck效应的热电循环示意图（b）Peltier效应的热电循环示意图
1.2.1 Zn4Sb3基热电材料β-Zn4Sb3因为其低热导率和廉价无毒的组成元素被认为是最有发展前景的中温热电材料之一。Zn4Sb3有三种结构相，分别为 α、β 和 γ-Zn4Sb3，这三种相分别对应的稳定温度是低于 263 K、263 K 到 765 K 和高于 765 K。β-Zn4Sb3为 p型半金属材料，有较高的功率因子，在 675 K 时为 13 μWm-1K-2。β-Zn4Sb3具有电子晶体的性质，同时在 300 K 时热导率低至 0.9 Wm-1K-1，类似于声子玻璃的特性，在 675 K 时取得最大 ZT 值为 1.40。β-Zn4Sb3为菱方相，a=12.231 ，c=12.428 ，空间群为 R-3c。β-Zn4Sb3的晶胞中，有 30 个 Sb 原子，Zn 原子有四种不同的位置：占据格点位置的 Zn1 和占据空隙位置的 Zn2、Zn3 和 Zn4，Zn 原子在整个晶胞中的数目为 39，因此β-Zn4Sb3实际上是 Zn39Sb30或者 Zn13Sb10，如图 1-2 所示。β-Zn4Sb3的低热导率主要源于如下几个方面：（1）间隙位置的 Zn 有较大的热位移，类似于玻璃的间隙位置，能够有效的散射声子起到降低晶格热导率的作用。（2）Sb 原子在 c 轴的无序排列能有效的增强合金化散射进一步降低晶格热导率。
最大功率因子对应的温度逐渐移动至高温，说明通过能带结构调控和全尺度微结构调控的方法能提高材料的 ZT 值。2017 年，张文清教授组[60]报道，在 Na 掺杂的 PbTe-SrTe 中加入 Mn 能提高材料的热电性能。在 Pb 位加入 Mn 能够增大带隙同时增强价带简并度，这使得在室温下，Seebeck 系数和功率因子增加，电导率降低，电子热导率也降低。同时在 PbTe 基体中固溶 MnTe 能够引入小角晶界，因此使得声子散射增强，显著降低样品的晶格热导率，最终 4 at% Mn 样品的 ZT 值达到 1.98，平均 ZT 值相对于为掺杂 Mn 的样品提高 18%。
【参考文献】：
期刊论文
[1]La掺杂n型Mg2Si基半导体的热电性能研究[J]. 张倩,朱铁军,殷浩,赵新兵. 功能材料. 2008(12)
本文编号：3590282
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