p型摻雜高錳硅化合物的制備及熱電性能.pdf

1、熱電材料在工業(yè)余熱回收利用、微小溫差發(fā)電、太陽能光電一熱電復合發(fā)電、深空RTG電源等多方面有廣泛地運用,但是大部分構(gòu)成熱電材料的元素為稀缺資源,且容易造成環(huán)境污染。在新世紀,世界各國注重節(jié)能減排、可持續(xù)發(fā)展的背景下,高錳硅化合物(HMS)由于其元素儲量豐富、對環(huán)境友好、抗沖擊能力和機械性能強等優(yōu)點,越來越引起研究者的廣泛關(guān)注。但是,傳統(tǒng)工藝制備的單晶HMS各向異性嚴重、制備周期長、工藝復雜且能耗高,因此,制備高性能多晶HMS對于其實際應

2、用具有重要意義。而多晶高錳硅化合物熱電性性能較低,主要原因是電導率較低,而熱導率較高,導致總體刀值較低。由于高錳硅化合物結(jié)構(gòu)復雜,調(diào)控其載流子遷移率非常困難,因而通過摻雜提高材料的載流子濃度從而改善電性能、優(yōu)化費米能級位置是提高功率因子的直接有效方法。基于此,本研究以p型高錳硅化合物(MnSi1.80)為研究對象,采用高頻感應熔融、退火結(jié)合放電等離子燒結(jié)的方法,所制備的樣品致密度較高(96％以上),主相均為HMS相,含有少量的單質(zhì)Si相

3、和MnSi金屬相,摻雜元素與主相元素分布基本均勻,所摻雜元素都成功進入晶格。
　　 本文以B、Ge、Mo、Cu為摻雜元素,通過摻雜來優(yōu)化HMS化合物的載流子濃度和熱電性能。本文研究了在Si位用B單摻(受主摻雜)和B與Ge雙摻(Ge作為等電子取代,可以改變Si亞晶胞的原子排列,產(chǎn)生堆積缺陷),在Mn位和Si位用Mo(受主摻雜)和Ge雙摻及Cu(受主摻雜)和Ge雙摻對MnSi1.80化合物的載流子濃度及熱電性能的影響規(guī)律,主要研究內(nèi)

4、容和結(jié)論如下:
　　 B摻雜樣品B元素在HMS化合物中的固溶極限約為0.5at%。B摻雜樣品的載流子濃度和電導率較之未摻雜樣品都有顯著提高。其中,當B的摻雜量為0.8%時,載流子濃度為1.61×1021 cm-3,電導率為7.22×104 S. M-1,Seebeck系數(shù)沒有明顯下降,功率因子PF在800 K為1.62 m Wm-1K-2,較之未摻雜樣品提高了約30%。無量綱熱電優(yōu)值ZT值,在850 K時達0.53,較之未摻雜樣

5、品提高了約20%。
　　 B和Ge雙摻樣品,當B的摻雜量固定為0.8at%時,Ge在多晶HMS中的固溶上限約為2.5at%。B和Ge雙摻樣品的載流子濃度得到顯著提高、電導率顯著增加,同時抑制Seebeek系數(shù)高溫“翻轉(zhuǎn)”現(xiàn)象,功率因子明顯增加。此外,B和Ge雙摻可以引入合金化散射效應,晶格熱導率有效降低。其中,B的摻雜量為0.8at%,Ge摻雜量為3.0at%的樣品功率因子在800 K時達2.1 mWm-1K-2,ZT值在900

6、 K時為0.68,比未摻雜樣品、單摻樣品的無量綱熱電優(yōu)值均有較大幅度的提高,接近HMS化合物迄今為止報道的最高值(0.7)。
　　 Mo和Ge雙摻樣品當Mo的摻雜量固定為0.3at%時,Ge在多晶HMS中的固溶上限約為2.0at%。Mo和Ge雙摻樣品顯著增加了材料的載流子濃度(3.13×1021 cm-3)和有效質(zhì)量(12.9 m0),從而大幅提高了電傳輸性能。其中,Mo的摻雜量為0.3at%,Ge摻雜量為2.0%的樣品最大功率

7、因子可達2.15 mWm-1K-2,較未摻雜HMS樣品提高了約65%,在850 K獲得最大的熱電優(yōu)值為0.67,相比未摻雜樣品提高了約50%。
　　 Cu和Ge雙摻樣品當Ge的摻雜量固定為2.5at%時,Cu在多晶HMS材料中的固溶上限約為0.6at%。其中,Cu的摻雜量為0.6%,Ge摻雜量為2.5at%樣品ZT值在900 K時為0.61,Cu和Ge雙摻樣品的熱電性能低于Mo和Ge雙摻樣品,可能是由于Cu元素的原子軌道較之Mo