P型SnTe基热电材料的电声输运及性能优化
国外snte基热电材料研究现状
国外snte基热电材料研究现状热电材料是一种具有特殊性质的材料，可以将热能转化为电能或者将电能转化为热能。
热电材料的研究旨在开发高效的能量转换技术，以解决能源转换和节能减排的问题。
在国外，尤其是美国、欧洲和日本等发达国家，热电材料研究得到了广泛关注和重视。
下面将介绍国外热电材料研究的现状。
首先，国外的热电材料研究主要集中在工程应用和基础科学研究两个方面。
在工程应用方面，国外科学家致力于开发和改进热电材料的制备和加工技术，以提高材料的性能和可靠性。
例如，美国的热电材料的研究重点是提高材料的热电效率和减少材料的成本，他们采用了多种方法来改善材料的导电性和热电性能，如改变材料的晶体结构、掺杂材料、纳米加工等。
同时，他们还关注热电材料在能源转换和储存中的应用，如热电发电、热恢复、热泵等。
在基础科学研究方面，国外的热电材料研究专注于理解热电效应的机理和材料的结构与性能之间的关系。
他们通过理论模拟、实验测试和材料表征等方法，深入研究热电材料的微观结构、晶格热传导、载流子输运等关键问题。
例如，德国的热电材料研究主要集中在新型材料的发现和探索，他们通过高通量计算和高通量实验等手段，筛选和设计出具有优异热电性能的材料。
同时，他们还研究热电材料的界面特性和界面调控方法，以提高材料的热电性能和稳定性。
此外，国外的热电材料研究还涉及到多学科的交叉合作。
热电材料的研究需要借助物理学、材料科学、化学、工程学等多个学科的知识和技术，以解决新材料的合成与制备、性能表征与优化等难题。
国外的研究团队常常由不同学科的科学家和工程师组成，共同攻克热电材料领域的科学难题。
总之，国外的热电材料研究现状表明，热电材料领域取得了显著的进展和突破，不仅在工程应用方面有很多新的发现和应用，还在基础科学研究方面取得了深入的理解和掌握。
国外的研究主要集中在新型材料的开发和探索、热电效应的机理研究以及材料制备和加工技术改进等方面。
在未来，随着能源需求的增加和环境问题的日益严重，热电材料的研究将继续受到重视，并取得更大的突破。
半导体P-N型温差发电器件热电性能研究
王长宏等：半导体P-N型温差发电器件热电性能研究文章编号：1001-9731 (016) 12-12147-0512147半导体P-N型温差发电器件热电性能研究x王长宏，李娜，林涛，吴浩东(广东工业大学材料与能源学院，广州510006)摘要：区熔法工艺制备的T i2Be3温差发电材料，以P N结为研究对象。
通过有限体积法对单对半导体P N结模型的温度、流场进行模拟，并用热阻分析法对传热过程进行计算，考虑热电转换过程受P N结空腔内气体对流、热传导和辐射的影响。
研究结果表明，数值模拟和热阻分析法所得结果吻合，芯片传热过程中陶瓷基板热阻耗散 46%的温差，且当热端温度达1 000 K时，辐射传热量占总传热量的37%;因此对半导体P N结模型进行优化，适 当降低陶瓷基底热阻有利于提高半导体P N结实际温差和应用价值。
关键词：温差发电器件；热电转换；热电性能；数值分析中图分类号：T K11 文献标识码：A D O I：10.3969/j.issn.1001-9731.2016.12.0240引言由于热电发电过程中具有体积小、无噪声、寿命长 等特点，其性能研究及相关应用备受关注[]。
国内外 学者现集中于热电材料优值系数的提高[-3];主要包括 通过态密度共振和能带简并提高塞贝克系数；纳米结 构等方法降低晶格热导率以及基体和纳米第二相的能 带对齐来维持电传输性能45]。
王长宏等[]在温差发 电过程的数值模拟中考虑热电单元之间封闭腔体内空 气传热的影响提出改善模块结构的有效途径，A.S.A1-M e rb a ti等[7]利用有限元方法对不同组合结构的PN 结元件进行温度场、电场和机械应力场耦合分析，综合 评价不同P N结构性能。
A.R e z a n ia等[8]则对温差发电芯片内部结构进行优化。
F ank ai M e n g等[]针对温 差余热利用，分析单元长度，封装、热流对温差发电模块的影响和导热基底厚度对发电效率影响研究，表明 输出功率随着截面积增大和导热基底厚度增加而减小；而对温差发电内部多场耦合的研究甚少。
Sb2Te3基热电薄膜的研究进展
第49卷第6期2021年6月硅酸盐学报Vol. 49，No. 6June，2021 JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY DOI：10.14062/j.issn.0454-5648.20200617Sb2Te3基热电薄膜的研究进展易文1,2，赵永杰1，王伯宇1，周志方2，李亮亮2，李静波1(1. 北京理工大学材料学院, 北京 100081；2. 清华大学材料学院，北京 100084)摘要：基于热电薄膜的微型热电器件在微区制冷、温差发电等领域具有广阔应用前景。
具有高功率因子、ZT值的热电薄膜对微型热电器件的性能至关重要。
Sb2Te3基材料是室温下性能优异的p型热电材料。
然而，目前Sb2Te3基薄膜的热电性能仍然不能满足实际应用的需求。
简述了热电材料研究的相关背景，介绍了Sb2Te3的晶体结构，概述了Sb2Te3基薄膜的常用制备技术，从提高功率因子和降低热导率2方面综述了提高Sb2Te3基薄膜热电性能的方法。
重点介绍了材料组织、微观结构与热电性能的关系，即缺陷、择优取向、纳米颗粒、超晶格、有机无机杂化等对Sb2Te3基薄膜热电性能的影响。
此外，对Sb2Te3基热电薄膜的发展方向予以展望。
关键词：热电薄膜；碲化锑；热电性能；功率因子；热导率中图分类号：TB34 文献标志码：A 文章编号：0454–5648(2021)06–1111–14网络出版时间：2021-04-06Research Progress on Antimony Telluride Based Thermoelectric Thin FilmsYI Wen1,2, ZHAO Yongjie1, WANG Boyu1, ZHOU Zhifang2, Li Liangliang2, Li Jingbo1(1. School of Materials Science and Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China;2. School of Materials Science and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)Abstract: Micro thermoelectric devices based on thermoelectric films have promising applications in various fields such as micro-zone refrigeration and power generation. Thermoelectric films with high power factor and large ZT values are critical materials in these devices. Sb2Te3-based materials are outstanding p-type thermoelectric materials at room temperature. However, the thermoelectric properties of Sb2Te3-based thin films cannot meet the requirement of practical applications. The research background of thermoelectric materials is briefly introduced, the crystal structure of Sb2Te3 is discussed, the preparation techniques of Sb2Te3-based thin films are outlined, and the methods of improving the power factor and reducing the thermal conductivity of Sb2Te3-based thin films are summarized. In particular, the effects of microstructure on thermoelectric properties are focused on to elucidate the mechanism of improving thermoelectric properties of the films, which includes defects, preferential orientation, nanoparticles, superlattice, organic-inorganic hybridization, and so on. In addition, the future research directions for Sb2Te3-based thermoelectric thin films are discussed.Keywords:thermoelectric thin film; antimony telluride; thermoelectric property; power factor; thermal conductivity当前，能源危机、全球变暖、环境污染等问题日益严重，因此，寻找资源丰富、环境友好的新能源材料，并实现能源的高效利用至关重要[1-3]。
热电材料中自旋轨道耦合效应对电输运的影响
热电材料中自旋轨道耦合效应对电输运的影响吴立华;杨炯;李鑫;骆军;张文清【摘要】自旋量子效应对材料电输运性质的影响,是一个物理和材料领域的基础问题.热电材料能够实现电能和热能相互转换,其往往合有重元素,自旋轨道耦合效应对电性能的影响不容忽视.自旋轨道耦合造成的Zeeman型能带劈裂效应降低能带带边的简并度和能态密度,对热电材料的输运性质不利;而自旋熵和Rashba型自旋劈裂效应对热电性质有益,其中的Rashba自旋劈裂效应能够产生新奇的低维化电输运.拓扑绝缘体中非平庸电子结构对电输运调控提供新的方向.【期刊名称】《自然杂志》【年(卷),期】2016(038)005【总页数】7页(P320-326)【关键词】热电材料;自旋轨道耦合;电子能带;电输运【作者】吴立华;杨炯;李鑫;骆军;张文清【作者单位】上海大学材料基因组工程研究院,上海200444;上海大学材料基因组工程研究院,上海200444;上海大学材料基因组工程研究院,上海200444;上海大学材料基因组工程研究院,上海200444;上海大学材料基因组工程研究院,上海200444【正文语种】中文半导体热电材料利用塞贝克效应和帕尔贴效应实现温差发电或电制冷，被应用在空间用特种电源、汽车尾气废热或工业余热发电、电子器件制冷等领域。
相比于其他能量转换技术，热电材料构成的器件具有无污染、可靠性高、无需运动组件和无需光源等优势，但其能量转换效率仍旧较低。
提高材料的热电性能，是优化热电器件能量转换效率的第一步。
高性能热电材料应具有高的塞贝克系数(同等温差下高的电动势)、低的电阻率和热导率，而这些物理参数本身相互关联，协同优化这些物性是热电材料研究的核心。
本质上，优化热电性能就是同时调控电子和声子的输运性质。
近年来，填充方钴矿等“电子晶体-声子玻璃”体系[1-2]、相变体系[3-4]、半晶态体系[5-6]和铅硫族纳米材料[7-9]等呈现出优异的热电性能。
热电材料的带边电子结构对其电输运起决定作用[10]。
碲化铋基热电薄膜与器件研究进展
碲化铋基热电薄膜与器件研究进展胡少雄;周曼;任超杰;张博涵;祝薇;赵未昀;邓元【期刊名称】《中国材料进展》【年(卷),期】2022(41)12【摘要】随着微电子技术的快速进步,电子器件不断朝着高性能、微型化、低功耗、自供电的方向发展。
在器件性能和集成度不断提高的同时,小空间的快速散热问题成为制约其发展的关键瓶颈之一。
热电薄膜器件是一种以热电薄膜材料为核心的半导体能源转换器件,具有全固态、无噪音、免维护、体积小等优点,在高热流密度电子元器件快速散热和低功耗电子器件自供电等领域具有迫切的应用需求和广阔的市场前景。
Bi_(2)Te_(3)基热电材料是目前室温条件下性能最好的热电材料,以Bi_(2)Te_(3)基热电薄膜材料与器件为核心,重点介绍了常用热电薄膜材料的制备与性能优化方法,热电薄膜器件的结构设计、制备工艺以及界面优化手段,并对热电薄膜器件在热电发电和热电制冷领域的应用做了简要介绍。
【总页数】14页(P1005-1017)【作者】胡少雄;周曼;任超杰;张博涵;祝薇;赵未昀;邓元【作者单位】北京航空航天大学材料科学与工程学院;北京航空航天大学杭州创新研究院浙江省智能传感材料与芯片集成技术重点实验室;北京航空航天大学前沿科学技术创新研究院【正文语种】中文【中图分类】TN37【相关文献】1.碲化铋基热电薄膜的制备及性能研究2.碲化铋基热电器件的有限元模拟与设计组装3.碲化铋基薄膜热电性能的研究4.碲化铋基热电材料复合改性的研究进展5.Analysis on Management and Development Problems of Prefabricated Construction Project因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
SnO的歧化反应对SnTe热电性能的优化
第34卷第3期无机材料学报Vol. 34No. 3 2019年3月Journal of Inorganic Materials Mar., 2019文章编号: 1000-324X(2019)03-0315-06 DOI: 10.15541/jim20180288SnO的歧化反应对SnTe热电性能的优化胡慧珊, 杨君友, 辛集武, 李思慧, 姜庆辉(华中科技大学材料科学与工程学院, 材料成型与模具技术国家重点实验室, 武汉430074) 摘要: PbTe基化合物是一种热电性能优良的中温区热电材料, 但铅的毒性限制了其广泛应用, 因此类似化合物SnTe引起了人们关注。
但SnTe的载流子浓度较高和晶格热导率较大使其ZT值较低。
本研究利用SnO歧化反应对SnTe热电性能实现了协同调控。
热压烧结过程中SnO在500 ℃左右发生歧化反应生成Sn单质和单分散的SnO2颗粒, Sn单质作为自掺杂可以填充SnTe中的Sn空位, 导致载流子浓度降低: 相比于SnTe基体, SnTe-6mol%SnO 样品在600 ℃下的电阻率从6.5增大到10.5 μΩ⋅m, Seebeck系数从105增大到146 μV⋅K-1。
同时, 原位反应生成的SnO2第二相单分散于晶界处, 多尺度散射声子传播而降低晶格热导率, SnTe-6mol%SnO样品晶格热导率在600 ℃下仅为0.6 W⋅m-1⋅K-1, 相比于基体下降了33%左右, 从而使SnTe体系的热电性能得到明显提高。
最终, 当SnO加入量为6mol%时, 样品在600 ℃下的ZT值~1, 相比于基体提升了一倍左右。
关键词: SnTe; 歧化反应; 热电性能中图分类号: TB34文献标识码: AHigh Thermoelectric Performance of SnTe from the Disproportionation of SnOHU Hui-Shan, YANG Jun-You, XIN Ji-Wu, LI Si-Hui, JIANG Qing-Hui (State Key Laboratory of Materials Processing and Die & Mould Technology, School of Materials Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)Abstract:PbTe-based compositions are considered as excellent thermoelectric materials for the mid-temperature.However, the toxicity of lead limits its wide application. SnTe compounds, an analogue of PbTe, has attracted much attention. However, its ultrahigh carrier concentration and the large lattice thermal conductivity leads to a low ZT value of SnTe. In this work, the thermoelectric performance of SnTe is synergistically enhanced by introduction of Sn and SnO2 from the disproportionation of SnO in the process of the hot press sintering. On the one hand, Sn can compensate the Sn vacancies and decrease the carrier concentration of SnTe, leading to a simultaneous enhancement on resistivity and the Seebeck coefficient. For instance, compared with the pristine SnTe, resistivity and the Seebeck coefficient in-creases from 6.5 μΩ⋅m to 10.5 μΩ⋅m and from 105 μV⋅K–1 to 146 μV⋅K–1, respectively, for the sample of SnTe-6mol% SnO at 873 K. On the other hand, in-situ generated SnO2 nanoparticles are dispersedly distributed on the grain boundaries, leading to the multiscale phonon scattering and the reduced lattice thermal conductivity. The mini-mum lattice thermal conductivity value is 0.6 W⋅m–1⋅K–1 for the sample SnTe-6mol% SnO at 873 K, which is ~33% reduction compared with that of the pristine SnTe. As a result, the maximum ZT value of 0.96 (~100% enhancement,收稿日期: 2018-06-28; 收到修改稿日期:2018-09-11基金项目:国家自然科学基金(51811530307, 51772109, 51572098, 51632006); 清华大学新型陶瓷与精细工艺国重实验室开放基金(KF201704)National Natural Science Foundation of China (51811530307, 51772109, 51572098, 51632006); Open Fund of StateKey Laboratory of New Ceramics and Fine Processing, Tsinghua University (KF201704)作者简介:胡慧珊(1994–), 女, 硕士研究生. E-mail: 1724125728@316 无机材料学报第34卷compared with that of the pristine SnTe) at 873 K is achieved for the sample SnTe-6mol% SnO.Key words: SnTe; disproportionation; thermoelectric performance能源危机正成为全球范围内急需解决的问题, 人们迫切需要寻找一种安全清洁的新能源以满足环境的可持续发展[1]。
《SnTe-In2Te3体系热电材料的制备与性能研究》范文
《SnTe-In2Te3体系热电材料的制备与性能研究》篇一一、引言随着环保能源需求日益增加，热电材料因其在热能与电能之间的直接转换而成为近年来的研究热点。
SnTe-In2Te3体系热电材料因其高效率、低成本的特性，在热电材料领域中备受关注。
本文旨在研究SnTe-In2Te3体系热电材料的制备方法以及其性能分析，以期推动其在实际应用中的进一步发展。
二、实验部分1. 材料制备SnTe-In2Te3体系热电材料的制备采用传统的固相反应法。
首先，将高纯度的SnTe和In2Te3粉末按照一定比例混合，然后在高温下进行长时间的烧结反应，得到所需的SnTe-In2Te3复合材料。
2. 性能测试通过X射线衍射（XRD）技术对材料的结构进行表征，使用扫描电子显微镜（SEM）观察材料的微观形貌，并利用热电性能测试仪对材料的电导率、塞贝克系数和热导率等性能进行测试。
三、结果与讨论1. 结构分析通过XRD分析发现，制备的SnTe-In2Te3复合材料具有典型的晶体结构，与预期的相符合。
同时，SEM图像显示材料具有均匀的微观形貌，无明显缺陷。
2. 性能分析（1）电导率：随着In2Te3含量的增加，材料的电导率呈现先增后减的趋势，在某一比例下达到最大值。
这主要是由于In2Te3的引入改善了材料的电子传输性能。
（2）塞贝克系数：SnTe-In2Te3复合材料的塞贝克系数随温度的升高而增大，表明其具有较好的热电效应。
此外，In2Te3的加入可以进一步提高材料的塞贝克系数。
（3）热导率：材料的热导率受多种因素影响，包括晶格热导率和电子热导率等。
通过调整In2Te3的含量，可以优化材料的热导率，从而提高其热电性能。
四、结论本文研究了SnTe-In2Te3体系热电材料的制备方法及性能分析。
通过固相反应法成功制备了具有典型晶体结构和均匀微观形貌的复合材料。
实验结果表明，适当调整In2Te3的含量可以优化材料的电导率、塞贝克系数和热导率等性能，从而提高其热电性能。
电热以及热电材料相关知识
热电材料以及电热材料相关知识1热电效应和热电特性当两种不同的导体联接构成闭合回路,且接点两端处于不同温度时, 在接点两端出现电压降, 在回路中产生电流的现象称为塞贝克效应(Seebeck). 这一效应成为实现将热能直接转换为电能的理论基础. 图1 (a)为实现热电转化模式的简单示意图.当电流I通过由两种不同导体联结构成的回路时, 在两接点处吸收和放出热量的现象称为帕尔帖效应(Peltier). 这一效应成为实现新概念型制冷机械的理论基础. 图1(b)为实现制冷模式的简单示意图.图1 热电元件构成的简单发电模式(a)和制冷模式2热电材料的新进展开发研究新热电材料的目标在于努力提高材料的电导率温差电势的同时, 降低热导率. 热电材料的性能取决于性能因子Z , Z 通常表示为 Z =a 2 s /k , 式中a 称为Seebeck 系数或温差电势, s 为材料的导电率, k 为导热率. a s 和k 参量取决于电子结构和载流子的散射, k =k L+k e, 降低k 关键在于降低k L, 即增强晶格点阵对声子的散射从而降低热导率. 从理论上分析, 非晶态具有低的k值. Glem Slack提出一种新的概念材料称为声子玻璃电子晶体phonon glass electron crystal (PGEC), 也就是一种导电如晶体导热如玻璃的材料. Slack认为晶体结构中存在一种结合力弱的rattling 原子, 对载热声子有强的散射作用导致热导率急剧下降, 对导电不会有太大的影响.基于以上的讨论, 适合于做为热电材料的主要有两大类: 半导体材料和混合价化合物. 过去几十年对半导体类热电材料进行了较为系统深入的研究, 其中主要包括FeSi2 SiGe PbSnTe (Cu,Ag)2Se (Bi,Sb)Te3 (Bi,Sb)Se3等系列. 目前正在研究一种称为Skutterrudite结构的材料[5], 其分子式为AB3, 其中A=Co, Ir,Rh; B=P, As, Sb. 这类结构的重要特性是在晶胞单元中有两个较大的空隙, 这类结构材料的Seebeck系数可能达到较大数量级200 mVK-1, 然而, 热导率也会同时增大, 难以获得所希望的ZT值. 研究表明, 在晶格点阵中加入重原子可以显著地降低晶格导热率. 例如, Nolas等人在CoSb3中加入La, 使材料的室温导热率降低几个数量级, Nolas认为部分是由于质量亏损mass-defect 散射声子, 部分是由于键合力较弱的原子在它们的笼状结构cages 中发生rattling 运动. 在温度为700 , ZT值大于1的结果已经在实验中出现.另一类具有低温使用前景的材料是Clathrates型化合物[6]. 例如Ge型Clathrates化合物, 其分子式为A8Ge46, A代表Ge格子中占据空隙的原子. 又如具有Sr8Ga16Ge30分子式结构的Clathrates化合物, 其室温导热率比非晶态Ge低两倍. 类似的低导热性也出现在含Eu的Ge型Clathrates化合物及Sn型Clathrates化合物, 如Cs8Zn4Sn44和Cs8Sn44. 这些Clathrates型化合物具有获得热电应用所需的高Seebeck 系数的潜能, 在700 K下, ZT值接近1.以A2Q Bi2Q3 PbQ(A=碱金属; B=S, Se, Te)为三组元构成的三元系中的某些伪三元相也是具有开发前景的一类新型热电材料[7], 如K2Bi8Se13 K2Bi8S13 Rb2Bi8Se13 Ce2Bi8Se13 CsPb2Bi3Te7. 研究发现,这些化合物均具有相似的结构点阵, 对称性差属于单斜晶系, 晶胞体积大, 空隙中含有rattling 碱金属原子. 由于rattling 碱金属原子对声子的散射, 导致该类化合物导热率很低. 对这类材料的研究正在展开, 研究者认为有望获得较高的ZT值.Hicks和Dresselhaus提出如果用二维结构材料代替三维, ZT值将会得到改善[8]. 载流子在低维量子阱中受到的制约导致能态密度分布的改变, 在费密能一定的条件下, 有利于增加载流子数目提高导电率和ZT值.用分子束外延生长技术可以制备二维晶体. 一维结构可能会有更好的ZT值, 关键的问题是如何将一维晶体应用到实际的器件设备中. Venkatasubramanian 等人的研究证实量子阱能使体系的ZT值超过1[9].Tritt等人综合分析大量的研究结果, 提出理想的热电材料应具有的性能[10]:(1) 接近费密能级的电子带应具有许多远离Brillouin区界的能谷;(2) 原子序数大, 且具有大量的自旋轨道偶;(3) 成分由两种以上的元素组成;(4) 元素间的负电性差很低;(5) 晶胞尺寸大;(6) 能带间隙Eg等于10kBT, T是实际热电工作温度.室温下, 0<Eg<0.3 eV.假如满足条件(1) (4), 材料将具有高的载流子迁移率; 满足条件(2) (3) (5), 材料将有低的热导率; 满足条件(1) (6), 可以获得高的Seebeck系数或温差电势. 另外, 条件(6)也表明, 在温度较低的情况下(T<300K)热电材料应具有较低的能带间隙. 对于高温工作如发电模式下, 应使用高能带间隙的热电材料.3热电材料的未来在生活四周有许多耗费能源所生成、却又被废弃的热能，例如：汽车尾气、工厂锅炉排放的气体等等。
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P型SnTe基热电材料的电声输运及性能优化IV-VI族化合物是使用最早、研究最多的热电材料之一。
其中,SnTe基热电材料在近年来以其具有与PbTe相似的能带结构、但无毒且环境友好而备受关注。
本征SnTe因具有高浓度的本征Sn空位,一般呈现重掺杂P型半导体特性。
但过高的载流子浓度极大地抑制了其本征Seebeck系数,过大的轻重价带能量差距也增大了通过能带简并等手段提升Seebeck系数的难度。
此外,过高的晶格热导率和过小的带隙,也都极大抑制了 SnTe的本征热电性能。
本文以SnTe基热电材料为研究对象,利用高温熔炼结合热压烧结工艺制备试样,通过共振掺杂、载流子浓度优化、能带简并等手段提升材料的电学性质,通过引入点缺陷、第二相等多重散射机制降低材料的晶格热导率,并通过物相分析、微结构表征、物理建模等方式,进一步分析材料高性能的原因。
此外,本文还系统研究了新型层状热电材料SnTe·Sb2Te3多晶及区熔铸锭的热电输运特性。
获得的主要结论如下:1)通过双带模型的构建,计算了 SnTe的理论Pisarenko曲线;通过第一性原理计算,证实了 In在SnTe中掺杂可以引入共振能级,增加费米能级附近态密度,有效提升其室温Seebeck系数。
分别以
Sn0.995In0.005Te和(SnTe)2.88(In2Te3)0.04为基体,进行了载流子浓度的再优化。
其中,Sn0.995In0.o05Te中加入Sb有效抑制了基体过高的载流子浓度,且迁移率也得到一定的提升;Seebeck系数也获得进一步提高,电学性能整体优化。
最终,成分为Sno.915In0.oosSbo.08Te的材料在825 K时获得最大zT值约1.1,说明In-Sb双掺杂可以有效提升SnTe基材料的热电性能。
此外,利用SnTe较强的热塑性,成功制备SnTe热变形试样。
热变形后孔洞增多,出现一定层状特征;但热变形前后热电性能并没有明显变化,所以热变形并不是一种可以有效提升SnTe基材料热电性能的制备工艺;2)通过比较SnTe和Sn1.03Te中Sb合金化的情况,发现Sb在Sn1.03Te中固溶度更高。
Sb合金化不仅可以优化载流子浓度,还可以通过引入第二相实现对声子的强烈散射从而使SnTe材料的晶格热导率大幅降低。
通过EPMA测试和相图分析,得出第二相成分及形成过程,证实了除文献中纳米第二相外仍有微米级别第二相的存在。
之后,选取Sno.85Sbo.15Te合金作为基体,进行不同含量Mg合金化来研究点缺陷散射对材料热电性能影响。
由于Mg和Sn较大的半径和质量差异,Mg合金化引入强烈的质量和应力波动,从而对声子的散射加剧,进一步降低材料的热导率,接近理论最低晶格热导率。
试样zT值在775 K达到～1.0,且材料在全温度区间的器件zT值得到大幅度提升;3)研究SnTe中能带简并效应的机理,并以最大简并程度的Sno.96Mgo.07Te为基体,试图分别通过阳离子位Sb掺杂和阴离子位Ⅰ掺杂优化载流子浓度,提升材料热电性能。
其中,阳离子位Sb掺杂后,载流子浓度得到有效优化,Seebeck系数大幅增加,最大Seebeck系数达到213μV.K-1。
利用SPB模型计算材料的有效质量,发现较基体而言,Mg合金化产生的能带收敛效应让有效质量增加60%,而在此基础上加入Sb,有效质量又获得超过40%的提升。
通过第一性原理计算能带结构,发现随着Sb的加入,SnTe的轻重带差距也在不断减小,说明Sb在SnTe中也会引起能带简并效应。
Mg和Sb的双重能带简并效应以及载流子浓度的优化使得最终zT值在825 K 时达到1.3。
4)研究了 SnTe·Sb2Te3热压和区熔试样性能的各向异性。
通过成
分表征,发现其内部均匀为单相。
热电性能测试中,发现最终zT值的各向异性主要由Seebeck系数的各向异性决定。
利用SPB模型计算,发现两方向的态密度有效质量不同;通过能带计算,发现能带具有不对称性,进而计算得到的理论Seebeck系数也具有各向异性。
最终,手磨热压得到的SnSb2Te4多晶材料在面外方向获得最大zT值,约为0.42,证明该本征材料已具备一定的热电性能,有进一步优化的潜力。