Ag和Ga掺杂PbTe基化合物的合成及热电性能研究

论文摘要

PbTe作为商业化热电材料之一主要应用于中温区域（500K～800K）的热电发电。PbTe是Ⅳ-Ⅵ族化合物半导体材料，其晶体结构属于NaCl结构，禁带宽度较窄（0.3eV），具有各向同性的结构、高的晶体对称性、低的晶格热导率等优点，是一种优良的中温热电材料。探索通过不同的掺杂元素来优化和改善PbTe材料的热电性能是国内外研究的热点。本文以Ag、Ga作为掺杂元素，探索了单相Ag、Ga单独掺杂及AgGa共掺PbTe化合物的合成与制备方法，系统地研究了Ga、Ag含量对PbTe化合物的结构和热电性能的影响规律，同时研究了制备工艺对AgxGayPb1-x-yTe化合物热电性能的影响，研究结果表明：在n型GaxPb1-xTe（x=0.01～0.05）化合物中，随着Ga取代分数x的增加，样品载流子浓度增加，载流子迁移率逐渐减小，载流子散射机制从声学波散射逐渐变为声学波和电离杂质共同散射；随着Ga含量的增加，化合物的电导率大幅度增加，Seebeck系数绝对值降低。随着Ga含量的增加，GaxPb1-xTe化合物的晶格热导率先减小后增加，当x=0.03时，Ga0.03Pb0.97Te化合物晶格热导率最低。在所有组成化合物中，Ga0.02Pb0.98Te化合物在675K时显示最大ZT值达1.25，这比文献报道的n型PbTe的热电性能指数相比提高了近55％。在AgxPb1-xTe（x=0.002～0.05）化合物中，在整个测试温度范围内，样品的电导率随着温度升高先减小后缓慢增加，表现为典型的半导体传导特征。当x=0.01时，样品Seebeck系数为负，表现为n型传导；x＞0.01时，样品Seebeck系数均为正，表现为p型传导。Ag掺杂主导了（AgGa）xPb1-2xTe（x=0.01～0.05）样品的传导特性，Ag含量为1％时，样品为n型传导；Ag含量高于1％时，样品为p型传导。在所制备的四元样品中，AgyGa0.01Pb0.99-yTe（y=0.01～0.05）样品表现出很好的单相性，Ag0.01GaxPb0.99-xTe（x=0.01～0.05）样品表现出较好的性能。Ag0.01Ga0.01Pb0.98Te样品在675K时得到的最大ZT值达1.33。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 热电效应简介及其应用
• 1.2.1 热电效应简介
• 1.2.2 热电效应的基本原理
• 1.2.3 热电效应的应用
• 1.3 热电材料研究的最新进展
• 1.3.1 热电材料的种类
• 1.3.2 提高热电材料性能的主要途径
• 1.4 PbTe基化合物的研究进展
• 1.4.1 PbTe化合物简介
• 1.4.2 PbTe基热电材料国内外研究进展
• 1.5 本论文的研究目的和主要内容
• 第2章 研究方法与实验设备
• 2.1 材料的制备方法及设备
• 2.1.1 熔融反应法及其设备
• 2.1.2 放电等离子烧结技术及设备
• 2.2 材料的性能评价方法
• 2.2.1 材料相组成的确定和微结构表征方法及设备
• 2.2.2 Seebeck系数测试原理及设备
• 2.2.3 电导率的测试原理及设备
• 2.2.4 霍尔系数的测试原理及设备
• 2.2.5 热导率的测试原理及设备
• xPb_1-xTe（M=Ag、Ga）化合物的制备与热电性能'>第3章 M_xPb_1-xTe（M=Ag、Ga）化合物的制备与热电性能
• xPb_1-xTe化合物的制备'>3.1 M_xPb_1-xTe化合物的制备
• xPb_1-xTe（x=0.01～0.05）化合物的结构与热电性能'>3.2 n型Ga_xPb_1-xTe（x=0.01～0.05）化合物的结构与热电性能
• xPb_1-xTe化合物的相组成和结构'>3.2.1 Ga_xPb_1-xTe化合物的相组成和结构
• xPb_1-xTe化合物的电性能'>3.2.2 n型Ga_xPb_1-xTe化合物的电性能
• xPb_1-xTe化合物的热传输性能'>3.2.3 n型Ga_xPb_1-xTe化合物的热传输性能
• xPb_1-xTe化合物的热电性能指数'>3.2.4 n型Ga_xPb_1-xTe化合物的热电性能指数
• xPb_1-xTe（x=0.002～0.05）化合物的结构与热电性能'>3.3 Ag_xPb_1-xTe（x=0.002～0.05）化合物的结构与热电性能
• xPb_1-xTe化合物的相组成'>3.3.1 Ag_xPb_1-xTe化合物的相组成
• xPb_1-xTe化合物的电性能'>3.3.2 Ag_xPb_1-xTe化合物的电性能
• 3.4 小结
• xGa_yPb_1-x-yTe化合物的制备与热电性能'>第4章 四元Ag_xGa_yPb_1-x-yTe化合物的制备与热电性能
• xGa_yPb_1-x-yTe化合物的合成与制备'>4.1 Ag_xGa_yPb_1-x-yTe化合物的合成与制备
• xPb_1-2xTe（x=0.01～0.05）化合物的结构与热电性能'>4.2 （AgGa）_xPb_1-2xTe（x=0.01～0.05）化合物的结构与热电性能
• xPb_1-2xTe化合物的相组成'>4.2.1 （AgGa）_xPb_1-2xTe化合物的相组成
• xPb_1-2xTe化合物的电性能'>4.2.2 （AgGa）_xPb_1-2xTe化合物的电性能
• 0.01Ga_xPb_0.99-xTe（x=0.01-0.05）化合物的结构与热电性能'>4.3 n型Ag_0.01Ga_xPb_0.99-xTe（x=0.01-0.05）化合物的结构与热电性能
• 0.01Ga_xPb_0.99-xTe化合物的相组成'>4.3.1 Ag_0.01Ga_xPb_0.99-xTe化合物的相组成
• 0.01Ga_xPb_0.99-xTe化合物的电性能'>4.3.2 Ag_0.01Ga_xPb_0.99-xTe化合物的电性能
• 0.01Ga_xPb_0.99-xTe化合物的热传输性能'>4.3.3 Ag_0.01Ga_xPb_0.99-xTe化合物的热传输性能
• 0.01Ga_xPb_0.99-xTe化合物的ZT值'>4.3.4 Ag_0.01Ga_xPb_0.99-xTe化合物的ZT值
• yGa_0.01Pb_0.99-yTe（y=0.01～0.05）化合物的结构与热电性能'>4.4 Ag_yGa_0.01Pb_0.99-yTe（y=0.01～0.05）化合物的结构与热电性能
• yGa_0.01Pb_0.99-yTe化合物的相组成'>4.4.1 Ag_yGa_0.01Pb_0.99-yTe化合物的相组成
• yGa_0.01Pb_0.99-yTe化合物的电性能'>4.4.2 Ag_yGa_0.01Pb_0.99-yTe化合物的电性能
• 0.01Ga_xPb_0.99-xTe化合物的结构与热电性能的影响'>4.5 制备工艺对Ag_0.01Ga_xPb_0.99-xTe化合物的结构与热电性能的影响
• 0.01Ga_xPb_0.99-xTe化合物相组成的影响'>4.5.1 制备工艺对Ag_0.01Ga_xPb_0.99-xTe化合物相组成的影响
• 0.01Ga_xPb_0.99-xTe化合物电性能的影响'>4.5.2 制备工艺对Ag_0.01Ga_xPb_0.99-xTe化合物电性能的影响
• 0.01Ga_xPb_0.99-xTe化合物热传输性能的影响'>4.5.3 制备工艺对Ag_0.01Ga_xPb_0.99-xTe化合物热传输性能的影响
• 0.01Ga_xPb_0.99-xTe化合物ZT值的影响'>4.5.4 制备工艺对Ag_0.01Ga_xPb_0.99-xTe化合物ZT值的影响
• 4.6 小结
• 第5章 结论
• 参考文献
• 硕士期间发表论文
• 致谢