元素掺杂对Cu2Se基化合物的结构及其热电性能优化

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热电材料是一种能够实现热能和电能相互转换的功能材料,在制冷和发电领域具有广泛的应用前景。目前技术上较为成熟、性能较好的热电材料大部分是金属半导体合金,这些金属常常是价格昂贵且对人体有害的元素,在高温条件下易氧化、性能不稳定。因此,寻找到一种价格便宜、元素储量大、性能稳定的材料势在必行。  P型Cu2Se基化合物具有较好的电性能和复杂的晶体结构,是一种具有潜在电子晶体-声子液体特征的热电材料。Cu元素和Se元素在地球的储量大、价格便宜,是一种极具优势的热电材料。但高温条件下Cu2Se基化合物容易发生形变,为了解决这个问题,本论文试图对Cu2Se基化合物进行元素掺杂来解决这个问题,从而为Cu2Se基热电性能的实际应用奠定基础。  本论文采用高能球磨法结合热压烧结技术,快速制备了对Cu2Se基化合物进行Co元素、Al元素掺杂的块体样品。通过对制得样品的微观结构分析系统研究了元素掺杂对Cu2Se基化合物的微结构影响;通过对制得样品的热电性能测试,进一步检验了元素掺杂对Cu2Se基化合物结构优化的效果,对测试得到的热电参数进行分析,研究了对Cu2Se基化合物进行元素掺杂后的样品其热电性能随温度的变化规律。具体的研究内容与研究结果如下:  (1)通过对Cu2Se基化合物按照Cu2-xAl2/xSe(0≤x≤0.25)进行Al元素掺杂,样品内部形成了铜铝架构,该架构具有具有很好的机械强度和天然形成层状结构的趋势。这些性能改善了Cu2Se的机械强度,并降低了材料的热导率。因此,掺Al后的样品都可以测试到750℃的高温而不发生形变。多次循环测试的样品其外在形貌与测试前样品的形貌一致。因此,Al元素掺杂解决了Cu2Se热电模块在工作时容易变形的问题。  (2)通过对Cu2Se基化合物按照Cu2-xCo2/xSe(0≤x≤0.25)进行Co元素掺杂,热压烧结后制得的样品同样形成了具有层状架构的微结构。掺Co系列样品可以测到680℃的高温而不发生形变。当掺杂量x<0.1时,在较长的温度区间内,同一温度下Co元素掺杂的越多,材料的电导率越大、Seebeck系数越小、热导率越大。实验发现,,当x=0.05时该材料在680℃得到了最大ZT,最大值为2.03,该样品是本实验中热电性能最佳的样品。  总之,对Cu2Se基化合物进行Al元素、Co元素掺杂均可以解决Cu2Se变形的问题而保持很好的热电性能。
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