Mg2(Si,Sn)基熱電材料的成分優(yōu)化與輸運(yùn)特性.pdf

1、熱電材料是一種能夠?qū)崿F(xiàn)熱能和電能相互轉(zhuǎn)換的半導(dǎo)體功能材料，由其制作的溫差發(fā)電和制冷器件具有無污染、無噪聲、易于維護(hù)、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)余熱發(fā)電、航天、微電子及制冷等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。Mg2Si系中溫區(qū)熱電材料以其成本低廉、環(huán)境友好、熱電性能良好等優(yōu)點(diǎn)引起眾多研究者的關(guān)注。但鎂容易揮發(fā)和氧化、原料之間的熔點(diǎn)差異較大等問題導(dǎo)致Mg2Si系化合物的制備困難，從而影響了其系統(tǒng)研究。本工作針對這一問題開發(fā)了新型B2O3助溶劑法和鉭管封裝

2、法，實(shí)現(xiàn)了樣品成分控制，并系統(tǒng)研究了Mg2(Si，Sn)基材料的熱電性能。本文也研究了La3Te4基高溫區(qū)熱電材料，采用熔煉、球磨、熱壓的方法縮短了反應(yīng)時間，系統(tǒng)研究了摻雜對電學(xué)性能的影響。本文取得的主要研究成果如下:
　　1.采用自主開發(fā)的B2O3助熔劑法和鉭管密封熔煉法，系統(tǒng)研究了易揮發(fā)、易氧化Mg2Si系化合物的可控制備技術(shù)，在實(shí)驗室條件下實(shí)現(xiàn)了Mg2Si系化合物熱電材料的成分可控和可重復(fù)制備。研究發(fā)現(xiàn)，Mg2Si1-xSn

3、x固溶體的非固溶區(qū)間為0.2＜x＜0.4，不同于過去在不能準(zhǔn)確控制材料化學(xué)成分條件下得出的非固溶區(qū)間，如0.4＜x＜0.6，0.1＜x＜0.6等，從實(shí)驗上澄清了長期以來有關(guān)Mg2Si-Mg2Sn贗二元合金固溶區(qū)域的模糊認(rèn)識。
　　2.Mg2Si系化合物的導(dǎo)帶存在能帶劈裂，Mg2Si與Mg2Sn固溶時會產(chǎn)生能帶交疊，本文研究了高載流子濃度Mg2Si1-xSnx固溶體中Si/Sn比對電子輸運(yùn)的影響。載流子濃度由Sb摻雜進(jìn)行調(diào)控，在Si

4、/Sn比為0.3～0.7時，改變Si/Sn比對基體的晶格熱導(dǎo)率影響較小，Sn含量上升時，簡約費(fèi)米能級變小，載流子有效質(zhì)量變大，導(dǎo)帶簡并度增加，在不損失遷移率的情況下提升了Seebeck系數(shù)，進(jìn)一步提升了功率因子。
　　3.研究了低熱導(dǎo)的Mg2Si0.5Sn0.5基材料的載流子輸運(yùn)特性。Sb摻雜優(yōu)化基體載流子濃度n，在n≈2×1020cm-3時熱電優(yōu)值達(dá)到極值ZT≈1.0。其次，研究了Mg2Si0.5Sn0.5中Zn取代Mg位對熱電

5、性能的影響，單純Zn取代對基體的性能基本無影響，而Zn、Sb共同作用時，電導(dǎo)率明顯提高，相同Sb摻雜下載流子濃度基本相同，Zn加入使遷移率變大，合金散射進(jìn)一步降低了熱導(dǎo)率，熱電性能得到優(yōu)化。
　　4.La3Te4基高溫區(qū)材料采用熔煉、球磨、熱壓的方法制備，研究了La位和Te位不同元素?fù)诫s對電學(xué)性能的影響。發(fā)現(xiàn)Pb摻雜Te位時，少量的Pb進(jìn)入晶格位降低了電導(dǎo)率，進(jìn)一步增加Pb含量卻導(dǎo)致雜質(zhì)相產(chǎn)生使電導(dǎo)率大幅增加。隨機(jī)分布的50～15