Cu-In-Te基三元硫族化合物半导体材料的结构及热电性能研究

来源 :中国矿业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:geng20516136
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本文利用粉末冶金法结合放电等离子烧结(SPS)技术成功制备出Cu-In-Te的三种衍生物Cu2.5In4.5Te8、Cu3.52In4.16Te8和CuIn5Te8。并在此基础上,研究了Cu2.5+xIn4.5Te8(x=0,0.05,0.1,0.15)、(Cu2Te)x(Cu3.52In4.16Te8)(x=0,0.03,0.05,0.08,0.11)和(Cu2Te)x(CuIn5Te8)(x=0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5)这三种材料的结构与热电性能。研究结果总结如下:在Cu2.5+xIn4.5Te8(x=0,0.05,0.1,0.15)这组材料中,当添加额外的Cu后,有效地提高了霍尔载流子浓度(nH)、降低了晶格热导率(κL)。载流子浓度(nH)的增强归因于价带顶(VBM)上G点处产生了简并杂质能带,而晶格热导率(κL)的降低则是由于晶格出现了畸变。因此,当绝对温度T=820 K、掺杂量x=0.1时,样品获得了最小晶格热导率κL:0.23 Wm-1K-1,这与使用Callaway模型计算的结果非常一致。当x=0.1时,材料的热电优值ZT值达到了最高值(≈0.84),比本征Cu2.5In4.5Te8高出约0.38;在(Cu2Te)x(Cu3.52In4.16Te8)(x=0,0.03,0.05,0.08,0.11)这组材料中,当Cu2Te掺到Cu3.52In4.16Te8后,额外Te原子以间隙Te原子的形式存在于晶格中,引起周围局域对称性的改变,并由于局部Te原子的“振荡”作用优化了声子传输机制,有效得降低了晶格热导率(最低晶格热导率只有0.3WK-1m-1)。同时,由于费米能级(Ef)向导带底(CBM)方向移动,导致霍尔载流子浓度(nH)随着Cu2Te含量的增大而降低,但功率因子保持稳定。因此,当掺杂量x=0.08时,在815K下,无量纲热电优值ZT值达到最高:1.65(±1.5),大约是x=0的1.5倍。这一材料在工业中具有巨大的应用前景;在CuIn5Te8材料中掺杂Cu2Te形成化学式(Cu2Te)x(CuIn5Te8)后,有效地提高了材料的电导率。在814K下,电导率由本征时的0.34′103Ω-1m-1上升到x=0.4时的2.02′103Ω-1m-1。最高ZT值约为0.3(x=0.4,814K),比本征样品相同温度条件下的ZT值提高了3倍。
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