Cu-S基热电材料的制备及过渡族元素掺杂对其热电性能的影响

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目前,Cu-S基热电材料因其原料价格低廉、无毒,本身具有超低热导率等优点越来越受到大家的关注,被认为是一类极具应用前景的热电材料。但是现阶段二元Cu-S基热电材料的研究主要集中于Cu1.8S和Cu2S这两种材料,具有其他Cu/S比的二元Cu-S基热电材料则极少被研究。此外,Cu-S基热电材料作为一种―类液态‖材料,其中的Cu离子能够在由S原子组成的亚晶格中快速移动,使实际的Cu/S比偏离设计比例,Cu-S基热电材料的晶体结构组成复杂化,导致微观结构的变化对材料的热电性能影响尚未完全被清楚了解。考虑到以上种种原因,本文试图寻找出具有较好热电性能的CuxS样品,并且分别通过等价Ag掺杂和高价Ni掺杂,研究它们对CuxS材料的相组成、表面形貌、微观结构和电、热输运特性能的影响。以下为实验研究成果:(1)采用普通行星式球磨法和放电等离子体烧结(SPS)相结合的这一简单的制备工艺,成功合成出一系列具有不同Cu/S比的二元CuxS基热电材料,通过对样品进行XRD分析和热电性能测试,证实以上述合成方法制成的Cu1.9S块体样品在所有样品中具有最高热电性能。(2)通过少量Ag掺杂,有效地提高了Cu1.9S样品的热电性能。根据SEM和XPS等一系列表征结果可知,利用球磨和SPS的合成方法成功将Ag掺入Cu1.9S样品中,且成分均匀。此外,通过TEM表征可知Ag掺杂Cu1.9S晶体内部存在明显的线缺陷、层错和大角度晶界,并推测在大角度晶界处存在位错。这些缺陷能够作为散射中心增强声子散射,降低样品的热导率,提高热电性能。热电性能测试结果说明Cu1.885Ag0.015S样品在773K时具有最高ZT=0.7。(3)进一步采用高价Ni掺杂对Cu1.9S样品的热电性能进行优化。实验结果表明Ni掺杂能够同时有效降低Cu1.9-xNixS样品的载流子热导率和晶格热导率,而不对样品电性能产生较大影响。一方面,通过Hall测试可知经Ni掺杂后样品的载流子浓度明显下降,有利于载流子热导率的降低;另一方面,通过TEM可知Ni掺杂不仅能够使样品中的第二相结构更加复杂,而且使样品内部出现大量的纳米孔,这些都有助于增强声子散射,降低样品的晶格热导率。最终获得了Cu1.9-xNixS样品的ZT值提高。Cu1.88Ni0.02S样品在773K时其ZT值可以达到0.9,具有较高ZTave~0.39。
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