论文部分内容阅读
SiGe合金因具有较窄的禁带宽度、较低的热导率、高熔点而成为拥有良好发展前景的高温热电材料。常用的SiGe合金热电材料制备方法有直拉法、区熔法,用于制备SiGe单晶;熔铸法、机械合金化法、放电等离子烧结法、热压烧结法制备块状SiGe合金;化学气相沉积法制备SiGe薄膜及分子束外延法制备超晶格SiGe合金等。其中机械合金化法和放电等离子烧结法是近年来新兴的制备方法。机械合金化法可在固态下实现材料的合金化,避免了偏析的产生;放电等离子烧结法通过焦耳热和火花热对粉末加热,同时施加一定压力,在较低温度下实现致密化。提高材料热电性能常用的方法之一是元素掺杂,特别是近年来在部分热电材料中掺入稀土成为了新的研究热点。
本文主要采用机械合金化结合放电等离子烧结法制备Si80Ge20B0.6合金。调节球磨时间、烧结温度、保温时间、烧结压力等工艺条件,通过XRD、XRF、FESEM和热电性能测试等手段,研究了不同工艺条件下样品的物相、成分、形貌和热电性能,总结规律并确定适宜工艺。采用优化的工艺制备不同B、Er含量的Si80Ge20合金,通过XRF确定样品成分,采用XPS对Er在样品中所处的化学环境进行分析,测试热电性能以获得适宜的元素配比。
高能球磨50 h得到颗粒尺寸为0.8μm左右、团聚颗粒尺寸为9μm左右的合金粉末。将球磨得到的合金粉末进行致密化,样品断口各元素分布较均匀,未观察到明显偏析。以1100-1130℃为优选烧结温度,当烧结压力为30 Mpa、保温8 min得到的烧结块体致密度最高,ZT在900 K时约为0.42。经熔炼球磨所得粉末的结晶度优于直接球磨的粉末,且粉末均匀性较好,粒度约为0.2μm,烧结后样品的电导率比直接球磨、烧结后的样品提高约35-50％,同时热导率也明显增大,晶格热导率增大约21-38％,因此两个样品的ZT值相差无几。不同B含量掺杂Si80Ge20合金样品的载流子浓度约是未掺B样品载流子浓度的30-40倍,掺B量0.6 at％样品的ZT值最高约为0.42(900 K)。不同Er含量Si80Ge20B0.6合金样品各元素比例基本符合配比。因Er含量太少,XRD未检测到Er单质及含Er化合物。载流子浓度随Er含量的增加而增加。Er含量为0.4 at％样品中Er4d峰的结合能为168.6 eV,Er4d5峰和Er4d3峰的结合能分别比单质Er中相应峰的结合能大0.5 eV,这可能是由于在样品制备过程中单质Er离化,内层电子受原子核束缚加强。Er含量为0.127 at％样品的电导率较未添加Er样品的电导率提高80％,比文献值提高约35％,ZT最大值约为0.5(900 K),最佳Er含量为0.086-0.127 at％。