Cu2SnS3热电材料的制备及性能研究

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随着时代的进步,环境污染、气候变暖、能源危机等问题日益凸显,为了摆脱这样的困境,人们一直在奋力寻找解决问题的方法,在这个过程中热电材料以其独特的优势备受瞩目。热电材料能够实现热能与电能的直接转化且没有任何排放,绿色环保。目前市场上应用的热电材料,如碲化铋,因碲元素在地壳中十分稀有,使得其制备的热电材料成本较高,寻找低成本的热电材料是十分必要的,Cu2SnS3作为热电材料逐渐进入研究人员的视野,其组成元素十分普遍,且具有“声子玻璃-电子晶体”的特征,具备较低的热导率,这是优良的热电材料该有的性质。但是本征Cu2SnS3电性能不高,可通过掺杂等手段提高电学性能,从而提高热电性能。本文采用溶剂热合成结合微波烧结制备Cu2SnS3热电材料并做了如下研究:(1)选用不同溶剂合成Cu2SnS3粉体,通过研究结构、形貌以及烧结后的电学性能,确定出乙二胺和水作为溶剂,合成出了粒径为50 nm左右均匀的Cu2SnS3粉体。(2)将合成的粉体经冷等静压成型后,采用不同的温度进行微波烧结,研究烧结温度对Cu2SnS3电学性能和热学性能的影响。(3)选取Co2+作为受主掺杂,Co2+的离子半径(74.5 pm)和Sn4+的离子半径(69 pm)相近,取代Sn4+增加载流子浓度,提高了电导率,同时掺杂使Cu2SnS3产生晶格缺陷散射声子,从而增强了热电性能,其中Cu2Sn0.8Co0.2S3样品的ZT值在700 K时为0.77。(4)选取Fe3+作为受主掺杂,Fe3+的离子半径(64.5 pm)和Sn4+的离子半径(69 pm)也很接近,且价态相近受主更易电离,掺杂Fe3+后有效提高了电输运性能,在室温时Cu2Sn0.95Fe0.05S3的电导率最高,达到了3597.05 Scm-1。溶剂热合成和微波烧结工艺也使试样保持了较低的热导率,因此获得了出色的热电性能,700 K时Cu2Sn0.85Fe0.15S3样品的ZT值达到1.2。
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