Cu7PSe6基材料的制备与热电性能研究

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热电材料由于具有稳定性高、可适用温度范围广,无污染等优点,是一种十分有前景的新能源材料。热电材料的转换效率由无量纲热电优值ZT来表示。ZT=S2σT/κ,其中S、σ、T、κ分别表示塞贝克系数,电导率,绝对温度和热导率。要实现高的热电优值ZT,需要同时具备优异的电性能以及较低的热导率。但是由于各物理参数之间相互制约,很难同时调控材料的电、热输运性能。“声子液体-电子晶体”(PLEC)概念的提出提供了一种有效的思路,Cu2Se这类材料具有两种结构单元,既能为载流子的电输运提供通道而有利于电性能,又因为其“类液体效应”的存在降低了热导率,从而实现了优异的热电性能。基于PLEC的概念,一系列具有“类液体效应”的二元化合物,如Cu2Se,Cu2S,Cu2Te,Ag2Se等都被报道了优异的热电性能。拓展到三元化合物中,我们发现硫银锗矿族化合物是一种典型的“类液体”材料,很好地符合PLEC的概念,并且其组成非常丰富,因此它是一种很有潜力的热电材料。但是硫银锗矿族化合物的电导率相比于二元化合物相差甚至一个数量级,并且已报道热电性能的化合物以Ag基为主。Cu7PSe6是一种硫银锗矿族化合物的代表,热导率为0.3-0.4W m-1K-1,接近于固体最小极限。但由于其较低的电导率,最大ZT在575K时仅仅为0.35。优化Cu7PSe6的电输运性质从而改善其热电性能,这不仅对Cu7PSe6的应用有着重要意义,也可以为其他硫银锗矿族化合物的性能优化提供参考和借鉴。本论文以Cu7PSe6为研究对象,研究了其制备工艺及热电性能。在此基础上,尝试在Se位固溶Te的方法来优化Cu7PSe6的电学性能。最后,本论文还在Cu位固溶Ag,通过引入点缺陷的方法尝试降低Cu7PSe6的热导率。主要的研究结果如下:  1、Cu7PSe6制备工艺及热电性能的研究:通过传统的熔融-退火工艺以及热压烧结的方法制备了纯相、元素均匀分布的Cu7PSe6材料,并对其热电性能进行了表征。测试结果表明:Cu7PSe6的电导率只有102~104S m-1,和Cu2Se相比低了两个数量级。霍尔系数的测量得到Cu7PSe6的载流子浓度在1017cm-3量级,还有优化的空间。Cu7PSe6的热导率介于0.3~0.4W m-1K-1,与传统材料相比达到了极低的水平。热电优值ZT,在600K时达到了0.41,高于已报道的Cu7PSe6性能。  2、Te固溶对Cu7PSe6热电性能影响的研究:Cu7PSe6-xTex的Te固溶极限小于x=1.0。在Se位固溶少量的Te就能显著地增加材料的构型熵,从而导致材料初始的低对称性立方结构(P213)转变为高对称性立方结构(F43m)。这种结构对称性的提高导致了材料具有更大的态密度有效质量,但是对材料迁移率的影响较小。因此,通过固溶Te优化了Cu7PSe6的电输运性能。再结合基本保持不变的极低晶格热导率,材料的整体热电优值ZT得到了优化,其中Cu7PSe5.7Te0.3样品在600K时实现了最大ZT值0.55,相比于Cu7PSe6基体提高了32%。更值得注意的是,室温下Cu7PSe5.7Te0.3样品的ZT值比Cu7PSe6基体高出了近15倍。  3、Ag固溶对Cu7PSe6热电性能影响的研究:Cu6.9Ag0.1PSe5.7Te0.3的样品在低温段的功率因子(PF)超过了Cu7PSe5.7Te0.3,室温时其PF为1.2μW cm-1K-2,相比于Cu7PSe5.7Te0.3提高了56%。继续增大Ag的固溶量会导致Cu7PSe6电性能或者功率因子PF的恶化。同时,固溶Ag会导致材料热导率的降低,其中Cu6.6Ag0.4PSe5.7Te0.3的室温热导率仅为0.26W m-1K-1,低于Cu7PSe5.7Te0.3。综合电、热输运性能的影响,Cu6.9Ag0.1PSe5.7Te0.3在600K时达到了最大ZT值0.55,与Cu7PSe5.7Te0.3相当,材料整体的热电性能没有得到明显的优化。但当Ag固溶量为x=0.1,0.2时,材料低温段的ZT值相对于Cu7PSe5.7Te0.3而言略有提高。室温下,Cu6.9Ag0.1PSe5.7Te0.3的ZT值为0.12,相对于Cu7PSe5.7Te0.3提高了60%。
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