论文部分内容阅读
热电材料是一种能将热能和电能直接相互转换的功能材料,在温差发电、固态制冷等领域有重要的应用价值。目前大部分热电材料的研究都集中在高功率因子体系的晶格热导率的降低上,而关于低热导率材料如何保持或进一步强化材料低热导率的同时,提高其电输运性能的研究较少。Ag8GeTe6和(GeTe)85(AgSbTe2)15(即TAGS-85)是两种低热导率碲化物热电材料,本文以此为研究对象,通过掺杂、偏化学计量比、固溶合金化等方法对材料的热电性能优化进行了研究,取得了以下主要成果：(1).制备了Ag8-xGeTe6(x=0,0.008,0.016,0.032)系列Ag自掺杂块体热电材料。材料具有极低的热导率,小于0.26 Wm-1K-1,这个数值已经逼近了非晶极限。Ag空位的引入,提高了材料的Seebeck系数。x=0.008具有最大热电优值,在570 K时可以达到0.40。(2).制备了Sb掺杂的AggGeSbxTe6-x(x=0,0.012,0.024,0.060)系列材料。发现材料对Te的化学计量敏感,微量Te缺失即会导致Ag2Te第二相的析出。Sb并没有按预期取代部分Te,而是占据了Ge位,导致材料电导率的下降。室温下,不同Sb掺杂量样品的Seebeck系数存在较大差异。材料掺Sb后,电导率下降,Seebeck系数提高,功率因子基本不变,而材料的热导率有些许升高,最终热电优值ZT并没有得到优化。(3).制备了Te偏化学计量比的Ag8GeTe6-x(x=0,0.12,0.24)禾口Ag8GeTe6+x(x=0,0.12,0.24,0.60)系列材料。Te缺失时,Ag2Te第二相析出。随着Te缺失量的增加,材料的电导率出现下降,材料的Seebeck系数符号从正变为负,多子从空穴转变为电子。Te缺失2%即x=0.12样品的功率因子与等化学计量比样品接近,而热导率降低了20-30%,即在保持材料电学性能的同时降低了材料的热导率,ZT值得到显著的提高,在570 K时达到0.52,提高了30%左右。Te过量时,Te第二相析出,材料的强度降低。随着Te过量的增加,材料的电导率基本保持不变,而Seebeck系数得到明显提高,功率因子显著提高,Te过量4%即x=0.24样品的功率因子在570 K取得最大值0.20×103 Wm-1K-2,较等化学计量比样品提高了50%左右。材料的热导率随Te过量不同没有较大的变化。Te过量4%即x=0.24样品ZT值在570 K达到了0.56,性能提高了将近45%。(4).制备了不同Ag/Sb比的(GeTe)85(AgySb2-yTe3-y)15(y=1.0,1.02,1.2,1.3,1.5)系列TAGS样品,发现偏化学计量比的试样中有Ag8GeTe6低热导率第二相的析出。改变Ag/Sb比能对Ag8GeTe6第二相的析出情况产生影响。y=1.3样品的晶格热导率在700 K仅为基体相的40%左右。y=1.02样品在744 K时获得最大ZT值1.37,性能提高了10%左右。(5).制备了(Ge1-xPbxTe)85(Ag0.6Sb1.4Te2.4)15(x=0.2,0.24,0.28,0.32)系列含Pb的TAGS-85材料。实验发现,Pb含量小于28%样品中有(GePb)Te2次相,大于28%样品中次相则为(GePb3)Te4。固溶Pb后材料仍然能保持优异的电学性能,而材料的晶格热导率和总热导率却不到(GeTe)85(Ag0.6Sb1.4Te2.4)15基体材料的二分之一。(Geo.8Pbo.2Te)85(Ago.6Sb1.4Te2.4)15样品具有最高ZT值,在750 K达到1.57,比本课题组前期得到的(GeTe)85(Ago.6Sb1.4Te2.4)15的样品ZT=1.35性能提高了20%左右。