【摘 要】
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在能源危机和环境恶化的双重背景下,热电材料作为一种能源转换材料受到广大研究者的关注。在众多热电材料体系中,Zintl相Mg3Sb2化合物具有较高的Seebeck系数,较低的热导率,且其成本低廉,组成元素无毒无污染,是一种具有巨大应用潜力的热电材料。本论文从理论计算和实验方面,系统探索了Bi固溶和Pb掺杂对Mg3Sb2化合物的电、热传输性能的影响规律和调控机制,获得的主要结果如下:（1）基于密度泛函
【基金项目】
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国家自然基金项目（No. 51601123、U1710118、U1810122）； 山西省自然科学基金（201801D221139、201801D121017）； 山西省高校科技创新计划（2019L0330）；
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在能源危机和环境恶化的双重背景下,热电材料作为一种能源转换材料受到广大研究者的关注。在众多热电材料体系中,Zintl相Mg3Sb2化合物具有较高的Seebeck系数,较低的热导率,且其成本低廉,组成元素无毒无污染,是一种具有巨大应用潜力的热电材料。本论文从理论计算和实验方面,系统探索了Bi固溶和Pb掺杂对Mg3Sb2化合物的电、热传输性能的影响规律和调控机制,获得的主要结果如下:（1）基于密度泛函理论（DFT）,对Mg3Sb2-xBix（x=0,1）化合物的电子结构进行计算。结果显示,在Mg3Sb2中固溶Bi会造成能带带隙的减小,有利于载流子浓度的提高。Mg3Sb2和Mg3Sb Bi均呈现单能谷价带结构,价带顶态密度随Bi元素的固溶呈现增大的趋势。相比于Mg的分波态密度,Sb的分波态密度对Mg3Sb2价带顶态密度贡献更大。（2）利用机械合金化法结合放电等离子体烧结技术制备了Bi固溶的Mg3（1+0.04）Sb2-xBix（0≤x≤0.8）化合物。随着Bi含量增加,样品的载流子浓度、电导率和功率因子均有所提高。在低温范围,Bi固溶显著降低了热导率,其中Mg3（1+0.04）Sb1.2Bi0.8样品在400 K附近获得最低热导率0.65 Wm-1K-1;在较高温度范围,总热导率随Bi含量的增加而升高。Mg3（1+0.04）Sb1.8Bi0.2样品在800 K时的热电优值ZT达到0.077,较相同温度下未掺杂样品提高了93%。同时,在450-800 K的温度范围内,该样品的平均ZT值达到0.051,比未掺杂样品提高了219%。（3）在Mg3（1+0.04）Sb1.8Bi0.2样品的基础上,采用Pb掺杂元素取代Sb位,合成了Mg3（1+0.04）Sb1.8-yBi0.2Pby（y=0,0.005,0.01,0.02）化合物。XRD测试结果表明,Pb在Mg3（1+0.04）Sb2Bi0.2中的最大掺杂量在0.01至0.02之间。热电性能测试结果表明,随着Pb掺杂含量的提高,载流子浓度显著增加,最高可达1019cm-3以上,而Seebeck系数呈减小趋势。在400-700 K温度范围内,Pb掺杂对基体材料热导率的降低作用显著。Pb掺杂有效提高了低温阶段的热电优值,在500 K时,y=0.005样品热电优值ZT为0.039,比未掺杂样品提高了77%,该样品在300-600 K的温度范围内的平均ZT值为0.025,比未掺杂样品提高了56%。
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