论文摘要
热电材料中,Bi2Te3和AgSbTe2等碲化物得到了广泛的关注和研究。本文以中温区使用的金属碲化物为主要研究对象,采用真空熔炼和放电等离子烧结技术（SPS）制备含Ga碲化物、AgSbTe2基碲化物、InSnTe基碲化物,并通过掺杂Al、过渡元素Cu等来优化其热电性能,通过微观结构的观察和成分分析,研究其热电性能的变化规律和原因。具体的研究结果如下:制备了Ga1.8SnTe5.2、Ga2SnTe5和Ga2.2SnTe4.8系列p-型碲化物。XRD衍射分析表明,碲化物内形成了主相Ga2Te5、少量的SnTe相和单质Te。在测试温度范围内,三种碲化物的Seebeck系数、电导率和热导率都随温度的升高而降低。由于具有较低的晶格热导率和较高的电导率,Ga2SnTe5在549 K时取得了最高ZT值0.16,同一温度下,另两种碲化物的ZT值分别为0.09和0.06。采用等摩尔分数的Sb元素替换Ga2Te3中的Ga元素,制备了Ga1.9Sb0.1Te3化合物,发现其Seebeck系数为130～240μV/K ,明显低于单晶Ga2Te3,电导率为3600～1740Ω-1·m-1,至少是单晶Ga2Te3电导率的17倍,热导率提高了近25%。在649K时Ga1.9Sb0.1Te3化合物的ZT值达到0.1,是同温度下单晶Ga2Te3ZT值的3倍。采用放电等离子烧结技术制备了合金（AgSbTe2）x （Sb2Te3）y,通过XRD衍射图谱发现,四种合金都形成了稳定的AgSbTe2单相结构,没有复杂的多相存在。由于具有较高的电导率和较低的晶格热导率,x=0.385的合金在547 K时取得了最大ZT值1.1,比Ag0.365Sb0.558Te合金约高出一倍,可见材料成分的细微调整成功地改善了热电性能。制备了赝二元合金(Ag0.365Sb0.558Te)0.975（GeTe）0.025。Rietveld分析表明,大约有1.3 at.%的Ge原子占据了Sb的位置。通过背散射扫描电镜观察到两相结构,其中AgSbTe2以块状微粒嵌入在基体内,这样的微观结构在不损失电导率的情况下略微提高了Seebeck系数,有效降低了晶格热导率。合金(Ag0.365Sb0.558Te)0.975（GeTe）0.025在551K取得了最大ZT值0.69,比Ag0.365Sb0.558Te的ZT值提高了0.08,说明含少量GeTe的Ag0.365Sb0.558Te合金仍然具有提升热电性能的潜力。采用放电等离子烧结技术制备了（In2Te3）x（SnTe）1-x化合物。结果显示,载流子的输运性能主要依赖In2Te3含量的变化,当In2Te3的含量x =0.09时,化合物的晶格热导率明显降低。当x =0.09时,热电优值ZT随着温度的升高而单调增加,直到在705 K达到最大值0.19。以等摩尔的Al元素替代（In2Te3）0.08（SnTe）0.92中的In元素,用放电等离子烧结技术制备了(In1.9Al0.1Te3)0.08（SnTe）0.92化合物,在668 K时其取得了最大ZT值0.28,几乎是掺杂Al前的（In2Te3）0.08（SnTe）0.92化合物ZT值的4.5倍。以等摩尔的Al元素替代（In2Te3）0.09（SnTe）0.91中的In元素,制备了化合物(In1.9Al0.1Te3)0.08（SnTe）0.92,获得了较高的电导率和较低的晶格热导率,说明载流子和声子的输运性能得到了协调。该化合物在693 K时取得了最大ZT值0.4,大约是未掺杂Al的（In2Te3）0.09（SnTe）0.91化合物ZT值的2倍。在（In2Te3）0.08（SnTe）0.92化合物中掺杂不同比例的Cu元素,通过XRD分析,发现形成了第二相In1.15Cu2.29Te4,没有形成单质Te。掺杂后,化合物的晶格热导率降低幅度很大,电导率明显升高。x = 0.2的(In2-xCuxTe3)0.08（SnTe）0.92化合物ZT值在647 K取得最大值0.29,是参考样品（In2Te3）0.08（SnTe）0.92在647 K时ZT值的4.6倍,说明目前的InSnTe基化合物载流子和声子的输运性能得到了较好的协调,而且具有继续优化的潜力。
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