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本论文通过高温熔化及热压的方法制备出多种元素掺杂Zn4Sb3,并研究了各种掺杂元素对其低温热电输运性质的影响。主要内容和结果如下所列。
研究了Ag,Cu,Si,Bi,Fe,Ti掺杂化合物(Zn1-xAgx)4Sb3,(Zn1-xCux)4Sb3,(Zn1-xSix)4Sb3,(Zn1-xBix)4Sb3,(Zn1-xFex)4Sb3和(Zn1-xTix)4Sb3(x=0,0.0025,0.005,0.01)的低温热电性能。结果表明相比较Zn4Sb3,适度掺杂的(Zn1-xAgx)4Sb3(x=0.0025和0.005),(Zn1-xcux)4Sb3(x=0.0025和0.005),(Zn0.9975Si0.0025)4Sb3,(Zn0.9975Bi0.0025)4Sb3,(Zn1-xFex)4Sb3(x=0.0025和0.005),(Zn1-xTix)4Sb3(x=0.0025和0.005)的低温(T<300K)热导率明显减小。随着Ag或Cu浓度的增加,电阻率和Seebeck系数先增加后明显减小,而这种非单调变化可解释为Ag、Cu占据不同Zn位置所引起。该解释得到了第一性原理计算结果的支持。随着Si浓度的增加,电阻率和Seebeck系数先增加后适度减小；而随着Bi浓度的增加,电阻率和Seebeck系数单调递增。这种随掺杂量的增加其性能呈现不同的变化规律,主要与它们的掺杂位置不同有关。该解释同样得到了我们第一性原理计算结果的支持。随着Fe或Ti浓度的增加,电阻率和Seebeck系数先增加后明显减小。此外,发现轻掺杂的化合物(Zn0.995Ag0.005)4Sb3,(Zn0.995Cu0.005)4Sb3,(Zn0.9975Si0.0025)4Sb3,(Zn0.9975Bi0.0025)4Sb3,(Zn0.995Fe0.005)4Sb3和(Zn0.9975Ti0.0025)4Sb3热电性能得到明显改善,ZT分别提高1.25,1.42,1.27,1.45,1.3和1.3倍。
制备了I和Se掺杂化合物Zn4(Sb1-xIx)3和Zn4(Sb1-xSex)3(x=0,0.005,0.01,0.015)并研究了在5K到310K温区内的热电性能。结果表明,相比较于Zn4Sb3,适度掺杂的Zn4(Sb0.995I0.005)3和Zn4(Sb0.99Se0.01)3的低温(T<300K)热导率明显减小。随着I浓度的增加,电阻率和Seebeck系数单调递增。而随着Se浓度的增加,电阻率和Seebeck系数先增加后适度减小。此外,轻掺杂的化合物Zn4(Sb0.995I0.005)3/Zn4(Sb0.99Se0.01)3显示最佳的热电性能,ZT分别提高1.19和1.33倍。
最后我们制备了S,Te和Nd掺杂化合物Zn4(Sb1-xSx)3,Zn4(Sb1-xTex)3 and(Zn1-xNdx)4Sb3(x=0,0.005,0.01,0.015)并研究了其低温电学性能。结果表明随着S和Te浓度的增加,电阻率单调递增。而随着Nd浓度的增加,电阻率先增加后适度减小。