GeTe-AgSbTe2基熱電材料的納米結(jié)構(gòu)與性能優(yōu)化.pdf

1、熱電材料是一種能夠?qū)崿F(xiàn)電能與熱能之間直接相互轉(zhuǎn)換的功能材料,在航空航天、軍事、醫(yī)學(xué)、廢熱發(fā)電等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。GeTe-AgSbTe2基半導(dǎo)體具有Seebeck系數(shù)大、載流子遷移率高、有效質(zhì)量大和聲子熱導(dǎo)率低等特點(diǎn),是一種性能優(yōu)異的中溫P型熱電材料。一般認(rèn)為GeTe-AgSbTe2材料中存在的永久晶格應(yīng)變是其低聲子熱導(dǎo)率的主要原因。近幾年,與GeTe-AgSbTe2成分和性能相近的PbTe-AgSbTe2熱電材料中發(fā)現(xiàn)了豐富的納米結(jié)

2、構(gòu),被認(rèn)為是導(dǎo)致材料具有低聲子熱導(dǎo)率的主要原因。目前為止還鮮見對GeTe-AgSbTe2微觀結(jié)構(gòu)的深入研究。本文以GeTe-AgSbTe2熱電材料為研究對象,以熱電性能的優(yōu)化和認(rèn)識微觀組織結(jié)構(gòu)對電、熱輸運(yùn)的作用為目的,以材料的原位納米化、復(fù)合化為主要制備手段,采用熔煉、液氮淬火、熔體旋甩結(jié)合熱壓燒結(jié)制備了具有多種原位納米結(jié)構(gòu)的GeTe-AgSbTe2塊體熱電材料,利用SEM、TEM等手段對材料的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察、分析,并通過偏化學(xué)計(jì)量比

3、等手段對材料的熱電性能進(jìn)行了優(yōu)化和研究,取得了以下主要成果:
　　 1.采用液氮淬火結(jié)合熱壓燒結(jié)方法制備了(GeTe)x(AgSbTe2)100-x(x=75,80,85,90)塊體熱電材料。利用透射電鏡觀察材料的微觀組織,發(fā)現(xiàn)樣品中存在大量尺度在50.100 nm的晶粒。在晶粒中含有大量原位析出的富Ag-Sb納米點(diǎn)嵌在基體中,納米點(diǎn)尺度在2-10 nm。在基體中還彌散分布著納米尺度的超晶胞區(qū)域,大小約10-20 nm,與基體界

4、面為共格界面。這種超晶胞區(qū)域是由于Ag-Sb有序取代Ge造成的。這些原位的納米結(jié)構(gòu)增加材料內(nèi)部界面密度和相關(guān)尺度聲子的散射幾率,對材料聲子熱導(dǎo)率的降低起到積極作用。材料的熱導(dǎo)率和聲子熱導(dǎo)率都很低,室溫下僅有0.8-0.9 Wm-1K-1。材料的最大熱電優(yōu)值出現(xiàn)在x=75樣品,在730 K達(dá)到1.53。
　　 2.制備了(GeTe)x(AgSbTe2)100-x(x=80,85)塊體熱電材料,研究了其熱電性能。研究發(fā)現(xiàn)材料為完全固

5、溶體,隨著AgSbTe2固溶量的增加,材料的載流子濃度、電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率降低,Seebeck系數(shù)增加。材料的室溫聲子熱導(dǎo)率僅有0.9-1.0Wm-1K-1,比純GeTe的聲子熱導(dǎo)率下降了60％。材料的最高熱電優(yōu)值在723 K達(dá)到1.5。
　　 3.制備了原位納米調(diào)制結(jié)構(gòu)、具有不同Ag-Sb比的(GeTe)x(AgySb2-yTe3-y)100-x(x=80,85.90;y=0.5-1.4)熱電材料。樣品中存在大量由微區(qū)成分波動(dòng)引起

6、的結(jié)構(gòu)調(diào)制,調(diào)制周期不統(tǒng)一,約2.10 nm,晶格錯(cuò)配度2-5％,在結(jié)構(gòu)調(diào)制周圍存在大量應(yīng)力-應(yīng)變區(qū)。樣品內(nèi)存在多種類型界面,如小角晶界、孿晶界和反相疇界等。這些原位形成的結(jié)構(gòu)調(diào)制與界面可以增加中低頻聲子的散射效應(yīng),降低材料的熱導(dǎo)率。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明,通過調(diào)控Ag/Sb比例,可優(yōu)化材料的熱電性能。最高熱電優(yōu)值為1.7@748 K。
　　 4.采用熔體旋甩結(jié)合熱壓燒結(jié)方法制備了(GeTe)x(AgySb2-yTe3-y)100-x(x

7、=80;y=0.5-1.4)高性能熱電材料。由于較快的冷卻速度和較大過冷度,熔體在非平衡態(tài)下凝固,獲得更精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)。透射電鏡分析結(jié)果顯示,材料中存在比熔煉樣品更精細(xì)的納米結(jié)構(gòu)。樣品中存在兩種納米尺度的原位調(diào)制結(jié)構(gòu),周期分別為5-20 nm和＜1 nm。樣品中存在十幾納米大小的超晶胞納米區(qū)和高密度刃型位錯(cuò)。這種多尺度的納米結(jié)構(gòu)對較寬頻率范圍內(nèi)的中低頻聲子散射明顯加強(qiáng),對聲子熱導(dǎo)率的降低起到積極作用。熱導(dǎo)率測試結(jié)果表明,熔體旋甩樣品擁有