稀土化合物RXTe3(X=Sb、Bi)的合成与热电性能

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热电材料是能够实现热能和电能直接相互转化的功能材料,利用它制作的制冷器和发电器件具有体积小、无噪声、无冷媒,且稳定性好等特点,因此在国防科技、光通讯器件和和民生领域有着广泛应用。热电转换器件的效率主要依赖于所使用的材料,即要求材料有大的热电优值ZT(=S2σT/κ,其中S、σ和κ分别是材料的塞贝克系数、电导率和热导率,T是绝对温度),也就是要求材料具有大的电导率和塞贝克系数,低的热导率。然而,S、σ和κ这三个物理量相互关联,难以独立调控.正是这一困难,使得传统热电材料的ZT值数十年来一直小于1,从而热电转换器件的应用受到极大限制。在对地球环境保护意识的加深和对新型能源开发需求的背景下,实现无污染制冷和用于低品位余热发电的热电材料及器件再度引起人们关注,在世界范围内形成新一轮研究与开发热潮。  最近几年的研究发现具有良好热电性能的典型体系,比如熟知的Bi2Te3和Bi2Se3等,具有拓扑绝缘体特性。块体拓扑体的绝缘态和表面金属态的分离与观察凝聚态物理和材料科学研究的热点课题。含稀土三元卤化物RXT3(R为稀土,B为Bi或Sb,T为Te或Se)中的LaXTe3和YXTe3等四种化合物的第一性原理计算表明指出LaBiTe3为三维拓扑绝缘体。  本研究主要对RXTe3(R= La,Ce; X= Bi,Sb)进行实验研究,探索拓扑绝缘体特性与热电性能。主要内容与研究成果如下:  (1)此类化合物现有文献报道的合成方法需要100多个小时。我们采用固相反应和机械合金化结合的方法,以La、Ce、Bi、Sb、Te单质为原料成功制备了LaSbTe3、LaBiTe3、CeSbTe3、CeBiTe3四种三元合金稀土化合物。合成方法具有合成时间短和产率高等特点。通过X射线衍射(XRD)分析和X射线能谱分析(EDS)确认了所合成化合物的晶体结构和化学成分。用CrystalMaker软件建立此类化合物的晶体结构模型,模拟计算了它们的X射线衍射图谱与实验结果进行了对比。  (2)采用放电等离子烧结(SPS)手段烧结法将制备出的粉末样品烧结成形,把烧结后的样品切割成条状,利用物性测量系统(PPMS)测量试样的热电性能。此类化合物的热导率非常低,在室温附近热导率热导率低于1 W m K-1。LaSbTe3具有较高的Seebeck系数,在T=400 K时该样品的Seebeck系数高达550mVK-1。  (3)利用物性测量系统(PPMS)测量分析了这几种化合物的载流子浓度和霍尔系数,进一步研究了载流子浓度与热电材料的性能的关系。通过测量发现 CeSbSb3和LaBiTe3的载流子为10-19 cm-3数量级,而LaSbTe3的载流子为10-17cm-3数量级。
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