Zintl相Mg3Sb2材料的热电性能研究

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Zintl相Mg3Sb2基热电材料是一种典型的“电子晶体-声子玻璃”材料。由于其特殊的晶体结构使得在提高电导率的同时降低热导率成为可能,并且原材料价格低廉,对环境无污染,因此,Mg3Sb2基化合物是一种非常有潜力的环境友好型热电材料。本论文通过高能球磨与直流快速热压相结合的技术手段制备了n型和p型Mg3Sb2基热电材料,并研究Se、Mn、Ag、Zn等元素掺杂对其热电性能的影响。结果表明Se是有效的n型掺杂剂,Se掺杂使得载流子浓度和霍尔迁移率同时增加,可有效降低电阻率,显著提高功率因子。此外,Se掺杂导致κL降低,最终发现Se掺杂量x=0.01的样品Mg3.2Bi1.4Sb0.59Se0.01在400 K-500 K范围内获得高ZT值,处于1.0-1.2之间,相应的PFeng和ZTeng分别为0.89 W m-11 K-1和0.85。Mn掺杂可有效抑制Mg空位的形成,增加霍尔迁移率,显著提升室温功率因子。Mn掺杂还降低了样品的总热导率,主要来源于晶格热导率的降低。最终,n型Se/Mn共掺杂样品Mg3.14Bi1.4Sb0.59Se0.01Mn0.06的室温ZT值约为0.8,比未掺杂样品(0.72)提高约了11.1%。Zn掺杂使得载流子浓度和霍尔迁移率增加,显著提升功率因子,尤其在低温范围内。由于Zn和Mg之间的质量差异较大,在Zn合金化过程中引入了点缺陷散射,使得材料晶格热导率明显降低。最终,p型Ag/Zn共掺杂样品Mg2.39Sb2Ag0.01Zn0.6在773 K时的峰值ZT约为0.84,比未掺杂Zn的样品提高了约31%。
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