Mg2(Si,Sn)基熱電材料的可控制備及性能優(yōu)化.pdf

1、Mg2(Si，Sn)基熱電材料由于其成本低廉、環(huán)境友好、熱電性能較好而引起了很多研究者的關(guān)注，但是由于鎂容易揮發(fā)和氧化、原料之間的熔點(diǎn)差異較大等問(wèn)題使得制備過(guò)程非常困難。從而影響了很多關(guān)鍵問(wèn)題的研究。在此背景下，本工作利用兩種新型的制備方法：B2O3助熔劑法和Ta管封裝法，較好地控制了鎂的氧化和揮發(fā)從而精確地控制了成份，從而系統(tǒng)研究了影響該材料電學(xué)性能的關(guān)鍵因素。利用等電子取代原理制備了幾組具有較低熱導(dǎo)率的試樣。并系統(tǒng)研究了冷卻速度對(duì)于

2、該體系的相組成和熱電性能的影響。主要取得如下成果：
　　 (1)發(fā)現(xiàn)較少的鎂過(guò)量會(huì)導(dǎo)致?lián)诫sMg2(Si，Sn)固溶體中的鎂空位。利用鉭管封裝法制備了Sb摻雜Mg2Si0.59-xSbxSn0.41(x=0，0.005，0.0075，0.01)和Bi摻雜Mg2Si0.58Sn0.42-xBix(0≤x≤0.015)，其中鎂過(guò)量為1.5％?；魻枩y(cè)試表明測(cè)得的載流子濃度明顯小于理論計(jì)算的摻雜元素提供的載流子濃度，表明這些試樣中存在著M

3、g空位。Mg空位顯著地降低了電子濃度和遷移率，大幅度降低了電導(dǎo)率。Bi摻雜Mg2Si0.58Sn0.42-xBix(0≤x≤0.015)所有試樣中，x=0.015試樣最高ZT在700 K達(dá)到了0.65。
　　 (2)發(fā)現(xiàn)間隙鎂明顯提高了Sb摻雜Mg2(Si，Sn)固溶體的載流子濃度和熱電性能，利用B2O3助熔劑法制備了Mg2(1+x)Si0.38Sn0.6Sb0.02(0.05≤x≤0.12)一系列試樣，XRD圖譜、XPS、霍爾

4、測(cè)試和成份分析表明間隙鎂的存在。系統(tǒng)的研究了間隙Mg對(duì)該體系的電導(dǎo)率、塞貝克系數(shù)、熱導(dǎo)率的影響。利用簡(jiǎn)單拋物線能帶模型研究了間隙鎂對(duì)電性能的影響。發(fā)現(xiàn)隨著鎂過(guò)量的增大，載流子濃度、電子有效質(zhì)量以及電導(dǎo)率單調(diào)增大，而塞貝克系數(shù)單調(diào)減小，同時(shí)晶格熱導(dǎo)率呈現(xiàn)非單調(diào)變化趨勢(shì)。鎂過(guò)量10％的試樣在700 K達(dá)到最高ZT值約0.85，比鎂過(guò)量5％的試樣的熱電優(yōu)值高出約60％。
　　 (3)利用Ga5-和Sb3-等電子取代Si4-(Sn4-)

5、可有效降低Mg2(Si，Sn)固溶體的熱導(dǎo)率，將部分Si4-(Sn4-)被Ga5-或者In5-和Sb3-所等電子取代，合成了Mg2Si0.5Sn0.5-xGaSb(0≤x≤0.15)和Mg2Si0.8Sn0.2-xInSb(0≤x≤0.15)。測(cè)試表明試樣的品格熱導(dǎo)率和溫度的倒數(shù)呈線性關(guān)系。表明U過(guò)程在聲子輸運(yùn)過(guò)程中占據(jù)統(tǒng)治地位。隨著GaSb量的增大，晶格熱導(dǎo)率明顯降低。
　　 (4)四元Mg2Si0.333Ge0.333Sn0

6、.333固溶體比三元Mg2(Si，Sn)固溶體具有更低的晶格熱導(dǎo)率。利用鉭管封裝法合成了Sb摻雜四元Mg2Si0.333Ge0.333Sn0.333固溶體，并研究了不同的鎂過(guò)量對(duì)該體系的熱電性能的影響。發(fā)現(xiàn)其晶格熱導(dǎo)率比三元Mg2Si0.5Sn0.5固溶體降低了30％，晶格熱導(dǎo)率隨著鎂過(guò)量的增大而增大。利用Abeles模型計(jì)算了其理論晶格熱導(dǎo)率，發(fā)現(xiàn)理論值和實(shí)驗(yàn)值吻合較好。
　　 (5)發(fā)現(xiàn)冷速越慢，Mg2SixSn1-x試樣越