铜缺位Cu2-xSe材料的制备及其热电性能研究

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热电效应又称为温差电效应,是一种全固态能量转换技术,可实现热能和电能的直接相互转换。由热电材料制成的热电器件在温差发电与半导体制冷等领域中有着广泛的应用。P型Cu2Se化合物因其具有潜在的“声子液体-电子晶体”特征在高温区具有优良的热电性能,并且其在经历室温单斜相到高温立方相的相转变过程中由于临界散射的作用热电性能优值zT可以达到2.3,因此在近几年成为热电研究领域的热点之一。然而,目前热电学界对铜缺位硒化亚铜Cu2-xSe化合物热电性能的报道却很少。  本论文的研究思路主要是尝试对铜缺位硒化亚铜Cu2-xSe化合物在非相变区的热电性能进行研究以及进一步对其在相变区的热电性能进行更加精细的表征。具体的研究结果如下:  1、利用高温熔融法合成制备了Cu2-xSe(x=0.05,0.10,0.12,0.14,0.16,0.20,0.25)。XRD结果表明室温下Cu2-xSe(0.16≤x≤0.25)为纯的β立方相,而Cu2-xSe(0.05≤x≤0.14)为α单斜相和β立方相的混合相。电导率σ及塞贝克系数S的测试结果表明Cu2-xSe化合物的电输运性能对Cu空位含量的变化非常敏感,少量Cu空位的引入即可大幅提高其空穴载流子浓度,进而使其电导率σ显著升高、塞贝壳系数S显著降低。300 K时,由于高的载流子热导kc的贡献,Cu2-xSe(0.05≤x≤0.25)样品的热导率由Cu1.95Se的2.16W m-1 K-1升高到Cu1.75Se的7.12 W m-1 K-1。750 K时,在所有Cu2-xSe(0.05≤x≤0.25)样品中Cu1.95Se获得最高的zT值,其值为0.46。  2、进一步通过在基体Cu2-xSe化合物的Se位固溶S制备了Cu2-xSe0.5 S0.5(x=0.10,0.12,0.15,0.20)。XRD结果表明室温下Cu2-xSe0.5S0.5(x=0.15,0.20)为纯的立方相,而Cu2-xSe0.5S0.5(x=0.12,0.10)为立方相和单斜相的混合相。电导率σ及塞贝克系数S的测试结果表明在整个测温区间(300~750 K)所有固溶S后的Cu2-xSe0.5S0.5样品的电导率较基体Cu2-xSe样品的电导率有所降低,而塞贝克系数有所升高。利用简化模型计算得到其在500 K时的晶格热导率配较基体也有所降低。最终的热电优值zT的计算结果表明Cu1.90Se0.5S0.5样品的zT值较基体Cu1.90Se有了明显提高。800K时,其zT达到0.65。  3、通过更加精细的低温热电输运性能表征手段进一步系统地研究Cu缺位的Cu1.75Se、Cu1.95Se化合物在经历α→β相转变过程中的热电性能,结果表明这两种化合物在经历α→β相转变的过程中由于临界散射的作用功率因子PF都得到增强,电输运性能得到优化。
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