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热电材料是一种可以将热能和电能直接相互转换的功能材料。热电材料的性能用热电优值ZT的大小来衡量。BiSbTe合金是目前室温下性能最好的热电材料,具有非常广阔的应用前景。本论文在前期工作的基础上,采用真空熔炼结合热压工艺制备了性能较为优越的BiSbTe基体(功率因子PF=~48μW/(cm·K2),热电优值ZT=~1.3),探索了热压温度对其结构和性能的影响;然后制备了以BiSbTe为基体,分别以Cu3SbSe4、Cu2Se、CuO和β-Zn4Sb3为弥散相的四种纳米复合材料,并分别对其热电性能进行了研究,主要的研究结果如下; (一)我们制备了不同热压温度(523 K,573 K,623 K和663 K)下的BiSbTe样品,并在300 K到500 K对其热电性能进行了研究。研究结果表明:样品的电阻率、热电势和热导率都随着热压温度的变化呈现规律性的变化。这是因为随着热压温度的增加,晶粒不断生长,孔隙率逐渐下降,致密度不断提高。最终,热压温度为623 K的样品在413K时取得最大的ZT值1.3。 (二)我们制备了f(Cu3SbSe4)/BiSbTe(f=0,1,2,3 vol.%)纳米复合材料,并在300 K到500 K对其热电性能进行了研究。研究结果表明:在复合量为1 vol.%的样品中,在476 K除了晶格热导率降低~50%,功率因子同时提升了~5%。晶格热导率的降低是由于纳米颗粒及界面强化了声子散射以及界面势对少子输运的抑制弱化了双极效应造成的,而功率因子高温区的提升则是异质结界面势的散射引起能量过滤效应使热电势升高以及高温区迁移率降低的减缓的原因。最终,其ZT值在467K达到1.6,较未复合的样品(ZT=1.3)提升了22%,它是目前报道的在该温区的最大值。该材料在低级废热回收应用上具有诱人的应用前景。 (三)我们选择了禁带更宽的Cu2Se纳米颗粒作为弥散相制备了f(Cu2Se)/BiSbTe(f=0,0.1,0.3,0.5,0.7 vol.%)纳米复合材料,并在300 K到500 K对其热电性能进行了研究。研究结果表明:在复合量为0.3 vol.%的样品中,功率因子在488 K时较未复合样品提高了~20%,是由于界面处形成的不对称势垒对少子传输的抑制造成热电势随着温度的升高在整个温区内持续上升。晶格热导率在488 K时较未复合样品下降了~60%,这是由于增加的纳米粒子和界面对声子的强烈散射,以及弱化的双极效应。最终,ZT值随着温度的增长持续上升,并在488 K时取得了最大值1.6,较未复合样品在此温度下的ZT值提升了~55%,这种材料非常适合制作用于低级废热回收的热电器件。 (四)我们选择了纳米氧化物CuO作为弥散相制备了f(CuO)/BiSbTe(f=0,0.1,0.2,0.3 vol.%)纳米复合材料,并在300 K到500 K对其热电性能进行了研究。根据研究结果,我们发现:复合量为0.2 vol.%的样品中,电阻率、热电势、热导率和热电优值等参数随温度的变化趋势和Cu2Se/BiSbTe复合样品是基本一致的,其热电优值在496 K时达到1.37,这表明,通过复合纳米CuO,虽然观察到了我们预期的实验现象,但是其对BiSbTe基体的热电性能的提升是非常有限的。 (五)最后,我们制备了f(β-Zn4Sb3)/BiSbTe(f=0,1.3,2.6,3.9,5 vol.%)纳米复合材料并对其热电性能在300 K到500 K进行了研究。研究结果表明在复合量为1.3 vol.%的复合体系中,同时实现了~5% Seebeck系数的提升和~32%晶格热导率的降低,这分别是由于能量过滤效应以及增强的声子散射。最终复合量为1.3vol.%的纳米复合体系在443 K时热电优值ZT达到1.43,相比于未复合样品提升了~18%。