Mg2（Si，Sn）基热电材料的成分优化与输运特性

论文摘要

热电材料是一种能够实现热能和电能相互转换的半导体功能材料,由其制作的温差发电和制冷器件具有无污染、无噪声、易于维护、安全可靠等优点,在工业余热发电、航天、微电子及制冷等领域具有广泛的应用前景。Mg2Si系中温区热电材料以其成本低廉、环境友好、热电性能良好等优点引起众多研究者的关注。但镁容易挥发和氧化、原料之间的熔点差异较大等问题导致Mg2Si系化合物的制备困难,从而影响了其系统研究。本工作针对这一问题开发了新型B2O3助溶剂法和钽管封装法,实现了样品成分控制,并系统研究了Mg2（Si,Sn）基材料的热电性能。本文也研究了La3Te4基高温区热电材料,采用熔炼、球磨、热压的方法缩短了反应时间,系统研究了掺杂对电学性能的影响。本文取得的主要研究成果如下：1.采用自主开发的B203助熔剂法和钽管密封熔炼法,系统研究了易挥发、易氧化Mg2Si系化合物的可控制备技术,在实验室条件下实现了Mg2Si系化合物热电材料的成分可控和可重复制备。研究发现,Mg2Si1-xSnx固溶体的非固溶区间为0.2<x<0.4,不同于过去在不能准确控制材料化学成分条件下得出的非固溶区间,如0.4<x<0.6,0.1<x<0.6等,从实验上澄清了长期以来有关Mg2Si-Mg2Sn赝二元合金固溶区域的模糊认识。2. Mg2Si系化合物的导带存在能带劈裂,Mg2Si与Mg2Sn固溶时会产生能带交叠,本文研究了高载流子浓度Mg2Si1-xSnx固溶体中Si/Sn比对电子输运的影响。载流子浓度由Sb掺杂进行调控,在Si/Sn比为0.3-0.7时,改变Si/Sn比对基体的晶格热导率影响较小,Sn含量上升时,简约费米能级变小,载流子有效质量变大,导带简并度增加,在不损失迁移率的情况下提升了Seebeck系数,进一步提升了功率因子。3.研究了低热导的Mg2Si0.5Sn0.5基材料的载流子输运特性。Sb掺杂优化基体载流子浓度n,在,n≈2×1020cm-3时热电优值达到极值ZT≈1.0。其次,研究了Mg2Si0.5Sn0.5中Zn取代Mg位对热电性能的影响,单纯Zn取代对基体的性能基本无影响,而Zn、Sb共同作用时,电导率明显提高,相同Sb掺杂下载流子浓度基本相同,Zn加入使迁移率变大,合金散射进一步降低了热导率,热电性能得到优化。4.La3Te4基高温区材料采用熔炼、球磨、热压的方法制备,研究了La位和Te位不同元素掺杂对电学性能的影响。发现Pb掺杂Te位时,少量的Pb进入晶格位降低了电导率,进一步增加Pb含量却导致杂质相产生使电导率大幅增加。随机分布的50～150nm孔洞结构降低了有效散射声子,部分样品的晶格热导率逼近理论最小晶格热导。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 热电学基础
• 1.1.1 热电学发展历史
• 1.1.2 热电效应简介
• 1.1.3 热电器件及应用
• 1.1.4 热电学相关固体理论
• 1.2 热电材料的研究进展
• 1.2.1 几种重要的热电材料
• 1.2.2 优化热电性能的手段
• 2Si系热电材料'>1.3 Mg₂Si系热电材料
• 2B^Ⅳ（B^Ⅳ=Si,Ge,Sn）化合物的晶体结构和基本性质'>1.3.1 Mg₂B^Ⅳ（B^Ⅳ=Si,Ge,Sn）化合物的晶体结构和基本性质
• 2（Si,Sn）基热电材料的研究现状'>1.3.2 Mg₂（Si,Sn）基热电材料的研究现状
• 3Te₄基热电材料'>1.4 La₃Te₄基热电材料
• 3Te₄化合物的晶体结构和基本性质'>1.4.1 La₃Te₄化合物的晶体结构和基本性质
• 3Te₄高温热电材料的研究现状'>1.4.2 La₃Te₄高温热电材料的研究现状
• 1.5 本课题研究思路及内容
• 2Si系热电材料'>1.5.1 中温区Mg₂Si系热电材料
• 3Te₄基化合物'>1.5.2 高温区La₃Te₄基化合物
• 第二章 实验方法和仪器
• 2.1 实验原料及仪器
• 2.2 材料的制备流程
• 2.3 材料的性能测试
• 2.3.1 物相结构分析
• 2.3.2 材料微观形貌及成分分析
• 2.3.3 差示扫描量热法
• 2.3.4 电输运性能测试
• 2.3.5 高温热导率测量
• 2.3.6 霍尔性能测试
• 2B^Ⅳ（B^Ⅳ=Si,Ge,Sn）系材料的制备'>第三章 Mg₂B^Ⅳ（B^Ⅳ=Si,Ge,Sn）系材料的制备
• 2O₃助熔剂法制备Mg₂（Si,Sn）固溶体'>3.1 B₂O₃助熔剂法制备Mg₂（Si,Sn）固溶体
• 2O₃助熔剂法概述'>3.1.1 B₂O₃助熔剂法概述
• 2（Si,Sn）固溶体的制备及性能'>3.1.2 Mg₂（Si,Sn）固溶体的制备及性能
• 2Si系热电材料'>3.2 钽管封装法制备Mg₂Si系热电材料
• 3.2.1 钽管封装法概述
• 2Si_1-xSn_x及其热电性能'>3.2.2 钽管封装法制备Mg₂Si_1-xSn_x及其热电性能
• 2Ge_1-xSb_x及其热电性能'>3.2.3 钽管封装法制备Mg₂Ge_1-xSb_x及其热电性能
• 2Si系材料'>3.3 固相反应法制备Mg₂Si系材料
• 2-xCa_xSi及其热电性能'>3.3.1 固相反应法制备Mg_2-xCa_xSi及其热电性能
• 2Si_0.3Sn_0.7'>3.3.2 固相反应法制备Mg₂Si_0.3Sn_0.7
• 3.4 本章小结
• 2Si_0.5Sn_0.5基材料的掺杂及性能优化'>第四章 低热导Mg₂Si_0.5Sn_0.5基材料的掺杂及性能优化
• 2Si_1-ySn_y-0.013Sb_0.013的制备及热电性能'>4.1 Mg₂Si_1-ySn_y-0.013Sb_0.013的制备及热电性能
• 2Si_0.5Sn_0.5性能的影响'>4.2 Mg过量对Mg₂Si_0.5Sn_0.5性能的影响
• 2Si_0.5Sn_0.5基样品的制备及性能'>4.3 Sb掺杂Mg₂Si_0.5Sn_0.5基样品的制备及性能
• 2Si_0.5Sn_0.5基样品的制备及性能'>4.4 Bi掺杂Mg₂Si_0.5Sn_0.5基样品的制备及性能
• 2Si_0.5Sn_0.5基材料的热电性能'>4.5 Zn取代Mg位Mg₂Si_0.5Sn_0.5基材料的热电性能
• 2Si_0.5Sn_0.5基材料性能的影响'>4.6 Zn、Sb共掺对Mg₂Si_0.5Sn_0.5基材料性能的影响
• 4.7 本章小结
• 2Si_0.4Sn_0.6基材料的掺杂及性能优化'>第五章 能带收敛Mg₂Si_0.4Sn_0.6基材料的掺杂及性能优化
• 2Si_0.4Sn_0.6-xSb_x试样热电性能的影响'>5.1 Mg过量对Mg₂Si_0.4Sn_0.6-xSb_x试样热电性能的影响
• 2第二相对Mg₂Si_0.4Sn_0.6热电性能的影响'>5.2 MgCu₂第二相对Mg₂Si_0.4Sn_0.6热电性能的影响
• 5.3 本章小结
• 3Te₄基材料的热电性能研究'>第六章 La₃Te₄基材料的热电性能研究
• 3Te₄基材料的制备及性能'>6.1 Te位取代La₃Te₄基材料的制备及性能
• 3Te₄基材料的制备及性能'>6.2 La位取代La₃Te₄基材料的制备及性能
• 6.3 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简介