GeTe-AgSbTe 2 基热电材料的制备及其性能调控
发布时间：2022-01-16 06:20
热电材料用于热电转换系统,具有使用寿命长、无机械运动、无噪音、绿色环保等优点,主要在航天、生物及电子等领域被广泛应用。（GeTe）100-x（AgSbTe2）x材料,即TAGS-x材料,由于其高Seebeck系数、较低的热导率、综合性能优异,被认为是规模化应用潜力较高的候选材料之一。TAGS基热电材料的热电优值在1.5左右,前人的研究成果表明通过掺杂等途径很难显著提升其热电性能。本论文通过引入少量Pb2+取代（GeTe）100-x（AgSbTe2）x中的部分阳离子Ge2+以优化载流子浓度,利用GeTe-PbTe伪二元合金中PbTe在GeTe中的固溶和脱溶析出以实现热导率的降低,另外增加GeTe 比例来提高其电学性能,最终达到热电性能的提升的目的。实验采用真空熔融-淬火-SPS烧结的方法制备了（Ge1-xPbxTe）90（AgSbTe2）10和（Ge1-xPbxTe）95（AgSbTe2）5系列样品,通过物相分析、显微形貌观察、电学性能及热学性能的测试对其微观组织与热电性能进行研究,主要研究内容和结果如下:（1）对（Ge1-xPbxTe）90（AgSbTe2）10（x=0,0.1,0.1...
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
塞贝克效应示意图
西安理工大学硕士学位论文2不同材料的结合处会产生电流，并产生电流电动势（△V）。这种物理现象被称为塞贝克效应，所产生的电流和电动势分别被称为热电电流和热电电动势[13]。用于表征一种材料Seebeck效应的参数塞贝克系数S被定义为：S=△V/△T（1-1）式中：S——塞贝克系数/V·K-1；△V——电流电动势/V；△T——温度差/K。材料间的温度差△T可以通过提高电流电动势△V来实现。塞贝克系数是一个基于材料基本物理性质的参数，不同材料的塞贝克系数不同。金属材料的塞贝克系数通常是很低的，大约只有几到几十μV/K，半导体具有较大的塞贝克系数，大约有几百μV/K。其正负取决于材料中主要载流子的类型，P型（空穴型）材料的塞贝克系数为正，N型（电子型）材料的塞贝克系数为负。塞贝克效应的微观物理本质是冷端和热端的温度差导致材料内部载流子运动产生的电位差。图1-1塞贝克效应示意图图1-2玻尔帖效应示意图Fig.1-1SchematicdiagramofSeebeckeffectFig.1-2SchematicdiagramofPeltiereffect（2）玻尔帖效应（Peltier效应）玻尔帖效应被发现于1834年，当电路中存在电流时，不同导体材料由于电流的方向不同，会在接头处吸收或者排除热量，此类现象称作玻尔帖效应。定义接头处吸热或者放热的速率为q，在导体内部产生的电流为I，则我们可以得出：q=πab/I（1-2）式中：πab——比例常数/W·A-1；q——吸（放）热速率/J·s-1；I——电流/A。玻尔帖系数πab的意义是指在单位时间、单位电流下，在接头处吸收或放出的热量。当电流如图1-2所示，由一导体流向另一导体，并在接头处吸收热量时，规定玻尔帖系数πab为正值，反之为负值。玻尔帖效应产生的原因为：通电后的载体内部载流子在电路中
西安理工大学硕士学位论文8图1-4垫状柔性热电材料Fig.1-4Mat-likeflexiblethermoelectricsystem1.3提高热电材料性能的方法过去近十年间，热电学（Thelecmoelectrics，TEs）这一研究领域经历了快速的发展，作为对环境友好且可靠的固态能源转换技术，热电转换技术要真正达到商业化的大规模应用，这就要求TE装置（系统）具有更高的效率，即要有高ZT值（大于3）的TE材料，这就意味着TE材料具有较低的热导率，高的电导率和高的塞贝克系数S，但这些参数之间的耦合作用阻碍了ZT值的无限提高。例如，载流子浓度n的增加会导致电导率的增加，但也会同时降低塞贝克系数S，而通过材料结构设计实现声子散射的增强，这一方法降低了晶格热导率，但也使得载流子迁移率下降，进一步影响电导率。因此，热电材料研究热点和方向是探索出优化TE材料性能的有效策略，同时开发出新型高性能热电材料。1.3.1降低热导率热导率由晶格热导率L和载流子热导率e组成，式（1-9）和（1-10）可以知道，载流子热导率与电导率有较强的耦合关系，而晶格热导率l相对来说与电导率和塞贝克系数S的关系相对独立，因此可以通过降低晶格热导率l=1/3cvv0来实现热电优值的优化。（1）引入全尺度的声子散射由式1-11可知，可通过加强对声子的散射来降低声子的平均自由程，从而减少晶格热导率l。不同尺度的散射机制对与其波长尺寸相近的声子有较强烈的散射作用，因此可以通过在TE材料中引入多种尺度的散射机制并对其进行协同优化，从而实现对晶格热导率最大限度的降低。Y.Xiao等人制备了PbTe-xCu2Te固溶体，随着Cu原子含量的增加，析出第二相沉淀Cu2Te，当固溶量达到PbTe-5.5%Cu2Te时，热导率达到极低值0.38Wm-1K-1。汪彩艳[33]在GeTe基相中用Se替代Te并掺入一定量的Pb和Sm原子
【参考文献】：
期刊论文
[1]高性能Ge0.75Pb0.25Te0.5Se0.5固溶体热电材料[J]. 李均钦,汪彩艳,逯正旺,李海涛,刘福生,敖伟琴. 深圳大学学报(理工版). 2014(03)
[2]填充方钴矿热电材料:从单填到多填[J]. 席丽丽,杨炯,史迅,张文清,陈立东,杨继辉. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2011(06)
[3]温差发电技术的研究进展及现状[J]. 赵建云,朱冬生,周泽广,王长宏,陈宏. 电源技术. 2010(03)
[4]半导体制冷散热强度对制冷性能的影响[J]. 代伟. 制冷与空调(四川). 2008(03)
[5]温差发电器中热电材料物性的影响分析[J]. 贾阳,任德鹏. 电源技术. 2008(04)
[6]温差发电技术的应用和展望[J]. 汤广发,李涛,卢继龙. 制冷空调与电力机械. 2006(06)
[7]半导体温差发电器的工作性能优化[J]. 屈健,李茂德,乐伟,林泉. 低温工程. 2005(02)
[8]温差发电器及其在航天与核电领域的应用[J]. 黄志勇,吴知非,周世新,郑文波. 原子能科学技术. 2004(S1)
[9]温差电技术的研究进展[J]. 栾伟玲,涂善东. 科学通报. 2004(11)
[10]温差电材料研究的新动向[J]. 张建中,王凤跃,伍绍中. 电源技术. 2003(01)
博士论文
[1]P型中温碲化物温差电材料制备与性能研究[D]. 张丽丽.天津大学 2014
[2]GeTe-AgSbTe2基热电材料的纳米结构与性能优化[D]. 杨胜辉.浙江大学 2011
硕士论文
[1]Mg或Sm元素掺杂对Se替代PbTe、GeTe及其合金的热电性能优化研究[D]. 汪彩艳.深圳大学 2015
[2]Ge-Te基非晶/纳米晶原位复合热电材料研究[D]. 闫风.浙江大学 2007
本文编号：3592107
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
塞贝克效应示意图
西安理工大学硕士学位论文2不同材料的结合处会产生电流，并产生电流电动势（△V）。这种物理现象被称为塞贝克效应，所产生的电流和电动势分别被称为热电电流和热电电动势[13]。用于表征一种材料Seebeck效应的参数塞贝克系数S被定义为：S=△V/△T（1-1）式中：S——塞贝克系数/V·K-1；△V——电流电动势/V；△T——温度差/K。材料间的温度差△T可以通过提高电流电动势△V来实现。塞贝克系数是一个基于材料基本物理性质的参数，不同材料的塞贝克系数不同。金属材料的塞贝克系数通常是很低的，大约只有几到几十μV/K，半导体具有较大的塞贝克系数，大约有几百μV/K。其正负取决于材料中主要载流子的类型，P型（空穴型）材料的塞贝克系数为正，N型（电子型）材料的塞贝克系数为负。塞贝克效应的微观物理本质是冷端和热端的温度差导致材料内部载流子运动产生的电位差。图1-1塞贝克效应示意图图1-2玻尔帖效应示意图Fig.1-1SchematicdiagramofSeebeckeffectFig.1-2SchematicdiagramofPeltiereffect（2）玻尔帖效应（Peltier效应）玻尔帖效应被发现于1834年，当电路中存在电流时，不同导体材料由于电流的方向不同，会在接头处吸收或者排除热量，此类现象称作玻尔帖效应。定义接头处吸热或者放热的速率为q，在导体内部产生的电流为I，则我们可以得出：q=πab/I（1-2）式中：πab——比例常数/W·A-1；q——吸（放）热速率/J·s-1；I——电流/A。玻尔帖系数πab的意义是指在单位时间、单位电流下，在接头处吸收或放出的热量。当电流如图1-2所示，由一导体流向另一导体，并在接头处吸收热量时，规定玻尔帖系数πab为正值，反之为负值。玻尔帖效应产生的原因为：通电后的载体内部载流子在电路中
西安理工大学硕士学位论文8图1-4垫状柔性热电材料Fig.1-4Mat-likeflexiblethermoelectricsystem1.3提高热电材料性能的方法过去近十年间，热电学（Thelecmoelectrics，TEs）这一研究领域经历了快速的发展，作为对环境友好且可靠的固态能源转换技术，热电转换技术要真正达到商业化的大规模应用，这就要求TE装置（系统）具有更高的效率，即要有高ZT值（大于3）的TE材料，这就意味着TE材料具有较低的热导率，高的电导率和高的塞贝克系数S，但这些参数之间的耦合作用阻碍了ZT值的无限提高。例如，载流子浓度n的增加会导致电导率的增加，但也会同时降低塞贝克系数S，而通过材料结构设计实现声子散射的增强，这一方法降低了晶格热导率，但也使得载流子迁移率下降，进一步影响电导率。因此，热电材料研究热点和方向是探索出优化TE材料性能的有效策略，同时开发出新型高性能热电材料。1.3.1降低热导率热导率由晶格热导率L和载流子热导率e组成，式（1-9）和（1-10）可以知道，载流子热导率与电导率有较强的耦合关系，而晶格热导率l相对来说与电导率和塞贝克系数S的关系相对独立，因此可以通过降低晶格热导率l=1/3cvv0来实现热电优值的优化。（1）引入全尺度的声子散射由式1-11可知，可通过加强对声子的散射来降低声子的平均自由程，从而减少晶格热导率l。不同尺度的散射机制对与其波长尺寸相近的声子有较强烈的散射作用，因此可以通过在TE材料中引入多种尺度的散射机制并对其进行协同优化，从而实现对晶格热导率最大限度的降低。Y.Xiao等人制备了PbTe-xCu2Te固溶体，随着Cu原子含量的增加，析出第二相沉淀Cu2Te，当固溶量达到PbTe-5.5%Cu2Te时，热导率达到极低值0.38Wm-1K-1。汪彩艳[33]在GeTe基相中用Se替代Te并掺入一定量的Pb和Sm原子
【参考文献】：
期刊论文
[1]高性能Ge0.75Pb0.25Te0.5Se0.5固溶体热电材料[J]. 李均钦,汪彩艳,逯正旺,李海涛,刘福生,敖伟琴. 深圳大学学报(理工版). 2014(03)
[2]填充方钴矿热电材料:从单填到多填[J]. 席丽丽,杨炯,史迅,张文清,陈立东,杨继辉. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2011(06)
[3]温差发电技术的研究进展及现状[J]. 赵建云,朱冬生,周泽广,王长宏,陈宏. 电源技术. 2010(03)
[4]半导体制冷散热强度对制冷性能的影响[J]. 代伟. 制冷与空调(四川). 2008(03)
[5]温差发电器中热电材料物性的影响分析[J]. 贾阳,任德鹏. 电源技术. 2008(04)
[6]温差发电技术的应用和展望[J]. 汤广发,李涛,卢继龙. 制冷空调与电力机械. 2006(06)
[7]半导体温差发电器的工作性能优化[J]. 屈健,李茂德,乐伟,林泉. 低温工程. 2005(02)
[8]温差发电器及其在航天与核电领域的应用[J]. 黄志勇,吴知非,周世新,郑文波. 原子能科学技术. 2004(S1)
[9]温差电技术的研究进展[J]. 栾伟玲,涂善东. 科学通报. 2004(11)
[10]温差电材料研究的新动向[J]. 张建中,王凤跃,伍绍中. 电源技术. 2003(01)
博士论文
[1]P型中温碲化物温差电材料制备与性能研究[D]. 张丽丽.天津大学 2014
[2]GeTe-AgSbTe2基热电材料的纳米结构与性能优化[D]. 杨胜辉.浙江大学 2011
硕士论文
[1]Mg或Sm元素掺杂对Se替代PbTe、GeTe及其合金的热电性能优化研究[D]. 汪彩艳.深圳大学 2015
[2]Ge-Te基非晶/纳米晶原位复合热电材料研究[D]. 闫风.浙江大学 2007
本文编号：3592107
本文链接：https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/boshibiyelunwen/3592107.html
