织构化多晶SnSe的微观结构和热电性能调控

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当今世界能源危机和环境问题日益突出,热电材料能直接实现热能和电能的相互转换,广泛应用航天、微电子等邻域,因此关于提升其热电性能引起了人们普遍的关注。其中,硒化锡(SnSe)及其相关材料由于具有超低的热导率和高的电输运性能(功率因子),被认为是一种极具发展潜力的新一代热电材料。但与此同时,单晶SnSe由于其生长条件苛刻、制备周期长以及机械性能差而不利于工业化生产。研究表明,多晶SnSe能有效克服上述缺点,更加便于制备热电器件。因此,在本文中加入过量Te构成液相烧结法制备多晶SnSe,通过优化材料取向来提升电学性能。而后在此基础,我们采用热变形工艺结合固溶S的方法制备多晶SnSe,从增强样品取向性和缺陷散射上,协同调控材料的电、热性能,实现ZT的优化。由于热电材料的薄膜化能进一步解耦合热电参数,因此在本文中,采用射频磁控溅射制备MoO2+X薄膜。我们通过选择合适的衬底和退火温度,极大地提升薄膜的功率因子(PF)。具体内容如下:⑴采用额外加入Te,形成液相烧结制备Sn0.97Na0.03Se多晶。随着Te含量的增加,样品沿(400)晶面的取向性得到显著的增强,而导致迁移率大幅提升。由于载流子浓度和迁移率的提升,样品电性能得到明显优化,特别是低温区的电导率提升至167 S cm-1,而PF的最高值在830K处取得,为6.9?W cm-11 K-2。与此同时,从300到830 K的平均功率因子(6.01?w cm-1k-2)和平均ZT(0.45)都得到显著的增强。在Sn0.97Na0.03Se额外加5 wt%的Te样品中,ZT值为0.8@830K。⑵采用热变形结合固溶S的方法制备Sn0.97Na0.03Se多晶,其中热变形后的样品取向性增强,载流子浓度和迁移率同时提升,样品的电性能得到优化;而固溶S后,虽然会导致载流子浓度下降,但是能通过增强点缺陷散射,极大降低热导率。因此通过两方面的协同作用,在固溶10%和热变形工艺下,样品的PF值为5.23?W cm-11 K-2,仍提升近25%;晶格热导率在800K时为0.44 W m–1K–1,下降近24%。最终通过协同调控电和热性能,在800K时,Sn0.97Na0.03Se0.9S0.1(HD)样品的ZT值为0.7。⑶采用射频磁控溅射Mo靶,经后续退火制备MoO2+X薄膜。通过选择合适的衬底和退火条件,优化薄膜的电学性能。采用Si衬底的样品,其Seebeck系数是玻璃衬底的4倍,主要是Si衬底本身具有较高的Seebeck系数,而对其产生叠加增幅。此外,在650℃并退火1h下,样品的微观形貌最佳,电导率也有明显提升。因此,在700K下测得薄膜的PF值最高可达17.8?W cm-11 K-2,提升近42倍。
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