Cu-In-Te基三元硫族化合物半导体材料的结构及热电性能研究
发布时间：2020-07-30 14:14
【摘要】：本文利用粉末冶金法结合放电等离子烧结(SPS)技术成功制备出Cu-In-Te的三种衍生物Cu_(2.5)In_(4.5)Te_8、Cu_(3.52)In_(4.16)Te_8和CuIn_5Te_8。并在此基础上,研究了Cu_(2.5+x)In_(4.5)Te_8(x=0,0.05,0.1,0.15)、(Cu2Te)_x(Cu_(3.52)In_(4.16)Te_8)(x=0,0.03,0.05,0.08,0.11)和(Cu_2Te)_x(CuIn_5Te_8)(x=0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5)这三种材料的结构与热电性能。研究结果总结如下:在Cu_(2.5+x)In_(4.5)Te_8(x=0,0.05,0.1,0.15)这组材料中,当添加额外的Cu后,有效地提高了霍尔载流子浓度(n_H)、降低了晶格热导率(κ_L)。载流子浓度(n_H)的增强归因于价带顶(VBM)上G点处产生了简并杂质能带,而晶格热导率(κ_L)的降低则是由于晶格出现了畸变。因此,当绝对温度T=820 K、掺杂量x=0.1时,样品获得了最小晶格热导率κ_L:0.23 Wm~(-1)K~(-1),这与使用Callaway模型计算的结果非常一致。当x=0.1时,材料的热电优值ZT值达到了最高值(≈0.84),比本征Cu_(2.5)In_(4.5)Te_8高出约0.38;在(Cu_2Te)_x(Cu_(3.52)In_(4.16)Te_8)(x=0,0.03,0.05,0.08,0.11)这组材料中,当Cu_2Te掺到Cu_(3.52)In_(4.16)Te_8后,额外Te原子以间隙Te原子的形式存在于晶格中,引起周围局域对称性的改变,并由于局部Te原子的“振荡”作用优化了声子传输机制,有效得降低了晶格热导率(最低晶格热导率只有0.3WK~(-1)m~(-1))。同时,由于费米能级(E_f)向导带底(CBM)方向移动,导致霍尔载流子浓度(n_H)随着Cu_2Te含量的增大而降低,但功率因子保持稳定。因此,当掺杂量x=0.08时,在815K下,无量纲热电优值ZT值达到最高:1.65(±1.5),大约是x=0的1.5倍。这一材料在工业中具有巨大的应用前景;在CuIn_5Te_8材料中掺杂Cu_2Te形成化学式(Cu_2Te)_x(CuIn_5Te_8)后,有效地提高了材料的电导率。在814K下,电导率由本征时的0.34′10~3Ω~(-1)m~(-1)上升到x=0.4时的2.02′10~3Ω~(-1)m~(-1)。最高ZT值约为0.3(x=0.4,814K),比本征样品相同温度条件下的ZT值提高了3倍。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TF125
【图文】：
化合物于铅-硫族化合物(PbX，X=S，Se or Te)，它的晶体结构如各向同性，并且具有较好的化学稳定性的热电材料，其晶，材料内部化学键是金属键。PbTe 很早就被发现并应用时它的最高 ZT 值达到了 0.8[30]，2002 年，Harman[31]等人e-PbTeSe 化合物 ZT 值达到了 3.0(550K)。PbTe 热电模块0K[32]，但是因为高温下热导率(κ)测量非常困难，所以电性能一直不为人所知，直到后来随着科技的发展 PbTe性能才逐渐被揭开。图 1-5 是近几年来 PbTe 基合金热电图，观察图片可知，PbTe-SrTe 合金的热电优值最大，在了 2.3。其它铅-硫族化合物，例如 PbSe、PbS 两种化合物结构，并且 Se、S 元素比 Te 元素成本更低，毒性更小图 1-3 Bi2Te3晶体结构示意图Figure 1-3 Schematic diagram of Bi2Te3crystal
(3) SiGe 基合金Si 和 Ge 两种元素都同在Ⅳ族，具有典型的金刚石晶体结构。SiGe 基合金在高温下拥有优异的热电性能和稳定性，因此这类材料已经广泛应用于放射性同位素热电发电机(RTG)和其它高温热电设备。SiGe 基合金材料具有良好的电子输运性能，但由于材料内部强化学键(共价键)和 Si、Ge 元素质量较轻等性质，使得SiGe 基合金的晶格热导率(κL)比较大，所以目前的研究工作主要集中在如何降低材料的晶格热导率(κL)。目前使用较多的方法是：通过制备具有纳米结构的 n-型和 p-型 SiGe 合金半导体材料，利用量子限制效应使得材料的晶格热导(κL)率大幅下降，从而显著改善了材料的热电性能。图 1-6 是近期 SiGe 基合金热电材料的热电优值统计图。其中 p-型 SiGe 材料 ZT 值高达 0.95(800K)[37]，而纳米复合材料(Si95Ge5)0.65(Si70Ge30P3)0.35在 900K 下的 ZT 值达到了 1.3[38]，所以 SiGe 基合金也是一种具有广阔前景的高温热电材料。图 1-4 PbTe 晶体结构示意图[33]图 1-5 PbTe 基热电材料热电优值统计图[33]Figure 1-4 Schematic diagram of PbTe crystal structureFigure 1-5 Temperature dependence of the TE figure of merit ZT of PbTe-based materials
(3) SiGe 基合金Si 和 Ge 两种元素都同在Ⅳ族，具有典型的金刚石晶体结构。SiGe 基合金在高温下拥有优异的热电性能和稳定性，因此这类材料已经广泛应用于放射性同位素热电发电机(RTG)和其它高温热电设备。SiGe 基合金材料具有良好的电子输运性能，但由于材料内部强化学键(共价键)和 Si、Ge 元素质量较轻等性质，使得SiGe 基合金的晶格热导率(κL)比较大，所以目前的研究工作主要集中在如何降低材料的晶格热导率(κL)。目前使用较多的方法是：通过制备具有纳米结构的 n-型和 p-型 SiGe 合金半导体材料，利用量子限制效应使得材料的晶格热导(κL)率大幅下降，从而显著改善了材料的热电性能。图 1-6 是近期 SiGe 基合金热电材料的热电优值统计图。其中 p-型 SiGe 材料 ZT 值高达 0.95(800K)[37]，而纳米复合材料(Si95Ge5)0.65(Si70Ge30P3)0.35在 900K 下的 ZT 值达到了 1.3[38]，所以 SiGe 基合金也是一种具有广阔前景的高温热电材料。图 1-4 PbTe 晶体结构示意图[33]图 1-5 PbTe 基热电材料热电优值统计图[33]Figure 1-4 Schematic diagram of PbTe crystal structureFigure 1-5 Temperature dependence of the TE figure of merit ZT of PbTe-based materials
本文编号：2775650
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TF125
【图文】：
化合物于铅-硫族化合物(PbX，X=S，Se or Te)，它的晶体结构如各向同性，并且具有较好的化学稳定性的热电材料，其晶，材料内部化学键是金属键。PbTe 很早就被发现并应用时它的最高 ZT 值达到了 0.8[30]，2002 年，Harman[31]等人e-PbTeSe 化合物 ZT 值达到了 3.0(550K)。PbTe 热电模块0K[32]，但是因为高温下热导率(κ)测量非常困难，所以电性能一直不为人所知，直到后来随着科技的发展 PbTe性能才逐渐被揭开。图 1-5 是近几年来 PbTe 基合金热电图，观察图片可知，PbTe-SrTe 合金的热电优值最大，在了 2.3。其它铅-硫族化合物，例如 PbSe、PbS 两种化合物结构，并且 Se、S 元素比 Te 元素成本更低，毒性更小图 1-3 Bi2Te3晶体结构示意图Figure 1-3 Schematic diagram of Bi2Te3crystal
(3) SiGe 基合金Si 和 Ge 两种元素都同在Ⅳ族，具有典型的金刚石晶体结构。SiGe 基合金在高温下拥有优异的热电性能和稳定性，因此这类材料已经广泛应用于放射性同位素热电发电机(RTG)和其它高温热电设备。SiGe 基合金材料具有良好的电子输运性能，但由于材料内部强化学键(共价键)和 Si、Ge 元素质量较轻等性质，使得SiGe 基合金的晶格热导率(κL)比较大，所以目前的研究工作主要集中在如何降低材料的晶格热导率(κL)。目前使用较多的方法是：通过制备具有纳米结构的 n-型和 p-型 SiGe 合金半导体材料，利用量子限制效应使得材料的晶格热导(κL)率大幅下降，从而显著改善了材料的热电性能。图 1-6 是近期 SiGe 基合金热电材料的热电优值统计图。其中 p-型 SiGe 材料 ZT 值高达 0.95(800K)[37]，而纳米复合材料(Si95Ge5)0.65(Si70Ge30P3)0.35在 900K 下的 ZT 值达到了 1.3[38]，所以 SiGe 基合金也是一种具有广阔前景的高温热电材料。图 1-4 PbTe 晶体结构示意图[33]图 1-5 PbTe 基热电材料热电优值统计图[33]Figure 1-4 Schematic diagram of PbTe crystal structureFigure 1-5 Temperature dependence of the TE figure of merit ZT of PbTe-based materials
(3) SiGe 基合金Si 和 Ge 两种元素都同在Ⅳ族，具有典型的金刚石晶体结构。SiGe 基合金在高温下拥有优异的热电性能和稳定性，因此这类材料已经广泛应用于放射性同位素热电发电机(RTG)和其它高温热电设备。SiGe 基合金材料具有良好的电子输运性能，但由于材料内部强化学键(共价键)和 Si、Ge 元素质量较轻等性质，使得SiGe 基合金的晶格热导率(κL)比较大，所以目前的研究工作主要集中在如何降低材料的晶格热导率(κL)。目前使用较多的方法是：通过制备具有纳米结构的 n-型和 p-型 SiGe 合金半导体材料，利用量子限制效应使得材料的晶格热导(κL)率大幅下降，从而显著改善了材料的热电性能。图 1-6 是近期 SiGe 基合金热电材料的热电优值统计图。其中 p-型 SiGe 材料 ZT 值高达 0.95(800K)[37]，而纳米复合材料(Si95Ge5)0.65(Si70Ge30P3)0.35在 900K 下的 ZT 值达到了 1.3[38]，所以 SiGe 基合金也是一种具有广阔前景的高温热电材料。图 1-4 PbTe 晶体结构示意图[33]图 1-5 PbTe 基热电材料热电优值统计图[33]Figure 1-4 Schematic diagram of PbTe crystal structureFigure 1-5 Temperature dependence of the TE figure of merit ZT of PbTe-based materials
【参考文献】
相关期刊论文 前3条
1 詹斌;兰金叻;刘耀春;丁靖轩;林元华;南策文;;氧化物热电材料研究进展[J];无机材料学报;2014年03期
2 周芸,沈容,史庆南,孙加林;热电材料的最新进展[J];昆明理工大学学报(理工版);2003年03期
3 张岐江;;红外探测器制冷技术[J];现代兵器;1987年10期
本文编号：2775650
本文链接：https://www.wllwen.com/projectlw/yjlw/2775650.html
