銅模噴鑄法制備Cu-Ge-Te熱電材料的研究.pdf

1、Ge-Te基非晶材料具有良好的室溫?zé)岱€(wěn)定性、極高的Seebeck系數(shù)(＞600μVK-1)和極低的熱導(dǎo)率(～0.1 Wm-1K-1)等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)也存在著電導(dǎo)率低(不及典型熱電材料如Bi2Te3基材料的千分之一)的缺點(diǎn),是典型的聲子玻璃材料。如何在保持高Seebeck系數(shù)和低熱導(dǎo)率的同時(shí),提高其電導(dǎo)率是國(guó)際上關(guān)注的重要課題。另外,傳統(tǒng)熔融水淬法制備Ge-Te基非晶材料存在高溫反應(yīng)周期長(zhǎng)、冷卻速率有限等問(wèn)題,因此尋找一種簡(jiǎn)單快速制備Ge-T

2、e基塊體非晶材料的方法具有重要意義。
　　 本論文針對(duì)Ge-Te基非晶材料目前存在的問(wèn)題,以Cu作為固溶元素,采用銅模噴鑄法制備CuxGe15Te85-x(x=5,7.5和10)塊體非晶材料,研究了Cu含量和噴鑄工藝對(duì)材料相組成、微結(jié)構(gòu)、非晶形成能力和電傳輸性能的影響;此外,通過(guò)控制熱處理工藝條件調(diào)控材料的結(jié)晶度,研究結(jié)晶度對(duì)材料的熱電性能的影響,探討了材料性能最優(yōu)的結(jié)晶度范圍。主要研究工作和結(jié)果如下:
　　 銅模噴鑄法

3、可以快速制備形狀規(guī)整的CuxGe15Te85-x(x=5、7.5和10)塊體非晶材料,Cu的固溶能夠增加材料的結(jié)晶形成能力。銅模噴鑄型腔尺寸對(duì)樣品的結(jié)晶形成能力有重要影響,相同深度的銅模型腔其橫截面積越大,獲得樣品的冷卻速率越小,結(jié)晶形成能力越大,橫截面積相同的銅模型腔其越靠近底部的樣品獲得的冷卻速率越大,結(jié)晶形成能力越小。Cu的固溶顯著改善了材料的電傳輸性能,材料的功率因子隨著Cu含量的增加逐漸增加,X=10的樣品的功率因子相比傳統(tǒng)G

4、e-Te非晶材料提高了約110倍。
　　 Kissinger,.Augis et al和Mahadevan et al三種動(dòng)力學(xué)理論計(jì)算模型都適用于Cu7.5Ge15Te77.5非晶晶化的研究,樣品的玻璃化轉(zhuǎn)變激活能Eg大于結(jié)晶激活能Ec;并且Cu7.5Ge15Te77.5樣品的結(jié)晶激活能小于Ge15Te85樣品,即Cu的摻入提高了材料的結(jié)晶形成能力。
　　 低溫?zé)崽幚頃r(shí),納米相體積分?jǐn)?shù)的增加歸因于非晶基體中納米相繼續(xù)不

5、斷的形核和納米相的長(zhǎng)大,而高溫?zé)崽幚頃r(shí)晶化體積分?jǐn)?shù)的增加主要來(lái)源于非晶基體中晶化相的不斷析出。樣品的電阻率均隨溫度的升高而顯著降低,表現(xiàn)出半導(dǎo)體傳輸特性,并隨著結(jié)晶度增加,樣品的電阻率降低,熱導(dǎo)率增大,低結(jié)晶度樣品的Seebeck系數(shù)隨溫度的升高而逐漸降低,而高結(jié)晶度樣品呈相反變化趨勢(shì)。室溫下,樣品功率因子隨結(jié)晶度的增大而先增大后減小,當(dāng)結(jié)晶度處于20％～30%范圍時(shí)材料獲得較優(yōu)的功率因子。448 K熱處理2 h的樣品,結(jié)晶度約25%,