层状硒化铋(BiSe)基化合物的制备及物性研究

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热电材料因其能够实现热能和电能的直接相互转化的特性,在能源和环境问题日益凸显的今天,越来越受到人们的关注。材料热电性能由其塞贝克系数、电导率和热导率三个参数共同决定。热导率又包括晶格热导率和电子热导率,除晶格热导率之外,其余几个参数之间相互耦合,难以进行单一的调节。因此在具有本征低晶格热导的材料体系中探索高热电性能成为热电研究的一个重要方向。作为(Bi2Se3)m(Bi2)n系列超晶格化合物中的一员,BiSe晶体结构中Bi2双层的存在使其具有极低的本征热导率,同时得益于其化学组分无毒、环境友好和成本低廉的特点,成为一种有潜力的新型近室温热电材料。本论文在掺杂优化BiSe多晶材料热电性能以及BiSe单晶生长和热电输运性质方面开展了研究,获得了以下主要结果。论文研究了Ag、Na元素掺杂优化BiSe多晶样品的热电性能。采用高温固相法和放电等离子烧结工艺制备出一系列不同Ag掺杂浓度的BiSe多晶样品,通过X射线衍射结构精修结果结合能谱光谱数据分析,推断Ag倾向于占据BiSe晶格中Bi2Se3五原子层Bi的原子位置,从而提供了更多的空穴。热电性能测试结果也表明Ag掺杂能够略微降低样品的载流子浓度,提高功率因子,同时产生晶格畸变降低了样品的晶格热导率,在Bi0.97Ag0.03Se样品中热电优值(ZT)提升至0.28(523 K)。在Ag掺杂的基础上采用Ag、Na共掺的方式进一步降低样品的载流子浓度,优化电输运性能,同时将热导率保持在较低的范围,提升样品的ZT值。热电性能测试表明室温下Ag、Na共掺的样品中载流子浓度从31.7×1019cm-3降低至6.2×1019cm-3,同时载流子迁移率也显著上升,样品的电输运性能得到优化,功率因子从5.6μW cm-1K-2(523 K)提升至7.5μW cm-1K-2(573 K),最终ZT值达到0.31(523 K),与未掺杂的BiSe多晶样品相比提升了30%。论文采用布里奇曼法,生长出大尺寸的BiSe单晶样品。利用结构分析确定了单晶的生长方向,对样品各向异性的热电输运性能进行了对比研究,结果显示样品在面内方向具有更高的电导率和热导率,而较低的塞贝克系数使得该方向最终的ZT值低于层间方向,两方向ZT最大值分别为0.11(573 K)和0.16(623 K)。与BiSe多晶样品相比,单晶样品表现出较低的电输运性能,可归因于两者散射系数的差异。通过Sb掺杂对BiSe单晶样品的载流子浓度进行调控,有效提升了样品的塞贝克系数,优化了电输运性能,同时Sb掺杂能够引起晶格畸变,降低样品的晶格热导率。最终样品的ZT值提升了约1倍,在层间方向Bi0.8Sb0.2Se样品中ZT值达到0.34(573 K),面内方向则提升至0.20(573 K)。综上所述,本论文通过掺杂调控了BiSe多晶材料的载流子浓度,实现了材料热电性能的有效提升;生长出大尺寸BiSe单晶,对其各向异性的热电性质进行深入的研究。这些结果能够为后续BiSe材料热电性能的进一步提升带来帮助。
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