论文部分内容阅读
Bi2Se3基热电材料具有价格低廉、环境友好等特点，是一类重要的低温热电材料体系，与Bi2Te3化合物相比，其价带较重且禁带宽度较大（约为Bi2Te3的两倍），有望得到更高的热电性能。目前有关Bi2Se3基化合物的热电研究报道较少，仅有的研究工作存在制备工艺周期长，热电性能还比较低等问题。
本论文针对Bi2Se3基化合物研究存在的上述问题，以Bi2Se3基热电化合物为研究对象，以碱金属Na和碱土金属Ba，以及过渡金属Cr和Mn作为Bi位的掺杂元素，以Sb作为固溶元素及I2作为Se位掺杂元素，研究了它们对Bi2Se3化合物电热输运性能的影响规律，在此基础上采用MS-SPS技术研究了对掺杂和固溶Bi2Se3基化合物的成分、微结构和热电性能的影响规律。得出如下结论:
传统熔融法制备的二元掺杂样品电导率都有所降低，Na掺杂样品Bi1.995Na0.005Se3在570 K时最大ZT值达0.30，Ba掺杂样品Bi1.99Ba0.01Se3在525 K时最大ZT值达0.24。Cr掺杂样品的电导率均有所降低，而Seebeck系数的变化亦与之呈现相反的趋势，掺Cr样品的ZT值都有一定的提高，Cr含量为9％的样品在525K时取得最大ZT值0.26。少量的Mn掺杂可有效调控载流子浓度，当Mn掺杂量为1％时，样品的载流子浓度大幅提升至4×1020 cm-3，当进一步提高Mn含量时，出现n-p转变，使材料的性能降低。
传统熔融法制备的Sb在Bi2Se3化合物中Bi位固溶的样品热导率显著降低，I2在Se位掺杂能有效调节其载流子浓度，当I2掺杂量为0.15wt％时，其载流子浓度达1.52×1019 cm-3，最大ZT值达0.2。Mn在Bi1.6Sb0.4Se3+0.15wt％ I2化合物中进一步掺杂，改变了Bi2Se3基化合物的传导类型，当Mn掺杂量大于0.01％时，化合物都变成了p型传导，这说明Mn对Bi1.6Sb0.4Se3三元固溶体的载流子浓度和载流子类型的调控是非常显著的。样品Bi1.59Mn0.01Sb0.4Se3+0.15wt％ I2的最大ZT值达0.12左右。
MS-SPS技术制备的Ba掺杂二元Bi2Se3化合物均为很好的单相，产物微结构中含有大量的纳米结构，且使掺杂元素Ba和基体元素分布非常均匀。样品的电导率显著提高，Bi1.97Ba0.03Se3由于同时具有较优异的Seebeck系数使其得到的功率因子在整个测试范围内最高，最大功率因子在室温时达到0.92 mWm-1K-2。热导率在525K时仅为1.08 Wm-1K-1。最终该组分的样品在525 K时的最大ZT值达0.34，相比于同组分、同温度下传统方法制备的样品ZT值提高70％。 Mn掺杂三元Bi1.6Sb0.4Se3化合物产物微结构中含有大量纳米结构，且使掺杂元素Mn和基体元素Bi、Sb、Se分布非常均匀。与传统熔融法制备的样品相比，其电导率大幅度提高，Mn掺杂量最低为x=0.01时，样品在室温下的电导率达到1.1×105 Sm-1，随着Mn掺杂量的增加，热导率逐渐降低，样品在520 K时的最大ZT值达0.2，较传统方法制备的Mn掺杂样品提高了2倍，较传统方法制备的仅Sb固溶的样品提高了2倍左右。