碲化锡（SnTe）合金是最有希望成为继碲化铅（PbTe）合金之后的新一代绿色环保热电材料。SnTe与PbTe同属面心立方晶格结构,简单的晶格结构有利于载流子的输运,从而为高电导率提供了保障。SnTe具有与PbTe相类似的双价带能带结构,这为材料Seebeck系数的提高奠定了基础。但是,由于本征SnTe中存在大量Sn空位（阳离子空位）,从而使得SnTe载流子（空穴）浓度较高。这致使其Seebeck系数较低,载流子热导率过高。同时,相对于PbTe而言,SnTe窄带隙（0.18 eV）、大轻重带能量差（0.30eV）的特点,使其Seebeck系数较PbTe仍有较大差距。针对如何提高该材料Seebeck系数的问题,对Sn位进行单一铟（In）掺杂,引起共振能级效应,可提高材料费米能级附近电子的状态密度,从而使SnTe的Seebeck系数得到提高。或对Sn位进行单一镁（Mg）、锰（Mn）或镉（Cd）掺杂可实现材料轻重带简并,从而增大载流子态密度有效质量,同样可提高SnTe的Seebeck系数。以上报道均表明,通过Sn位单一掺杂,调整SnTe能带结构（称为能带工程）,可有效提高SnTe的Seebeck系数,从而优化材料的电学输运性能。针对如何优化该材料热学性能,对Te位进行单一硒（Se）掺杂或对Sn位进行单一碲（Te）掺杂,通过点缺陷或纳米工程,可有效散射声子,从而降低SnTe晶格热导率。本论文采用双元掺杂的方法,在能带工程优化SnTe电学性能的基础上,通过引入点缺陷散射,析出富含掺杂元素的第二相,或通过增强晶格振动非谐性的方式,降低SnTe晶格热导率,继而实现SnTe热、电输运的协同优化。另外,热电器件在实际生产应用中不但需要具有优良的热电性能,其服役性能同样至关重要。提高SnTe的硬度,不但可延长器件服役时间,而且可降低样品合成难度。通过SiC纳米粉复合的办法,Cu2S、PbSe、SnSe、BiSbTe和AgPbmSbTem+2热电材料的维氏硬度均可得到增强。而且上述材料的热、电输运性能可得到维持,甚至提高。这表明SiC复合为一种有效的,可协同提高材料硬度与热电优值的方法。故本论文以纯相SnTe为基底,首次探索了 SiC复合对SnTe热电性能和维氏硬度的影响。本论文的研究结果有:1.对Sn位进行In掺杂。利用共振能级效应提高SnTe电学性能,同时对Te位进行硒（Se）掺杂,通过引入点缺陷散射降低SnTe晶格热导率。研究结果表明,在熔融、水淬条件下,单元In掺杂浓度1%时,SnTe获得最大热电优值。在此In掺杂浓度基础上,继续探究了不同浓度Se取代Te对In掺杂SnTe热、电输运性能的影响。研究结果表明,Se掺杂几乎不影响材料Seebeck系数。但是,由于Se原子取代Te原子,会引入额外的载流子散射源,不利于电阻率的降低。不过,较高的电阻率同时意味着较低的载流子热导率。故存在一个最优的Se掺杂浓度,可在维持SnTe功率因子基本不变的情况下,降低材料载流子热导率。同时,Se引入的点缺陷散射可散射声子,使材料晶格热导率得到降低。当In掺杂浓度1%,Se掺杂浓度10%时,SnTe在873 K下最低晶格热导率从1.3 Wm-1K-1下降至1.05 Wm-1K-1。最终,通过热、电性能的协同优化,双元In、Se掺杂的SnTe合金样品热电优值在873 K时可提高到0.87,较未掺杂样品提高了 118%。2.在固溶度附近对Sn位进行In、Sb双元掺杂。利用In元素引入共振能级,结合Sb元素提升的载流子有效质量,使SnTe的Seebeck系数在全温区得到提高。在热传输方面,利用点缺陷散射、晶界散射和析出相散射的多尺度声子散射,使SnTe晶格热导率得到降低。从而实现了 SnTe热、电输运性能的协同调控,使热电优值峰值及平均热电优值均得到提高。元素掺杂浓度依据In、Sb各自在SnTe中的固溶度（In约为1%,Sb约为12%）,分别选择为0.8,1.0,1.2%与8,10,12,14%,并进行配对。研究结果表明,Sn位In、Sb双元掺杂在引入共振能级效应的同时,提高了载流子的有效质量,使得材料Seebeck系数在全温区得到提高。在热输运方面,由扫描电镜观测出双元掺杂样品晶界增多,使声子的晶界散射得到增强。由于掺杂浓度在固溶度附近,易导致富含掺杂元素的第二相析出,使声子的散射源进一步增多。结合元素替代引入的点缺陷散射,使得SnTe声子的传播在较大尺度范围内得到抑制,从而有效降低了晶格热导率。最终,在800 K条件下,In 1.2%,Sb 14%掺杂样品具有最低晶格热导率0.96 Wm-1K-1。由于协同优化的热、电传输性能,Sn位In、Sb双掺杂SnTe样品热电优值峰值在800K时即可达到0.8,300-800 K温度范围内,平均热电优值为0.45,高于Sn位单一In或Sb掺杂的样品。3.对Sn位进行Cu、Mn双元掺杂。第一性原理计算结果显示,SnTe双价带能量差减小,价带简并度提高,这导致载流子态密度有效质量变大,从而使得Cu、Mn双元掺杂样品的Seebeck系数得到提高。在热传输方面,热膨胀的实验与拟合数据显示,随着Cu、Mn元素掺杂浓度的提高,样品线膨胀系数逐渐变大。且在高掺杂浓度下,振动软化系数对材料热传输性能的影响不可忽略。这意味着SnTe晶格振动的非谐性随着元素的掺杂得到增强。Sn位Cu、Mn双掺杂导致SnTe晶格出现局域的有序-无序状态,使SnTe晶格偏离面心立方晶格结构,导致SnTe出现铁电不稳定。对于未掺杂的SnTe而言,这种铁电不稳定状态一般出现低温（<100 K）,而Cu、Mn双元掺杂使得该状态保持到了高温。拉曼散射光谱结果显示,在铁电不稳定状态下,SnTe的声子出现软化的横光学振动模式。该模式易与频率相近的纵声学振动模式发生相互作用,从而使晶格振动非谐性增强。布里渊散射光谱结果进一步证明,该相互作用缩短了纵声学声子寿命,从而使SnTe获得极低的晶格热导率κLmin=0.47 Wm-1K-1,该数值非常接近材料的理论计算非晶极限值。实验结果还表明,在Cu、Mn固溶极限范围内,样品最低晶格热导率持续的温度范围随着掺杂浓度的提升逐渐扩大,这有利于提高SnTe的温度适用性。最终,由于热、电输运性能的协同优化,Cu、Mn掺杂浓度为14%的样品,在873 K时,热电优值达到1.3,较未掺杂样品提高了 225%。4.将SnTe与碳化硅（SiC）粉进行复合,研究了 SiC粉对SnTe热、电输运的影响,并对复合样品的维氏硬度进行了表征。研究结果表明,人工混合可使得SiC颗粒均匀分布于SnTe基底中,并于基底紧密结合。SiC与SnTe晶格接触处可形成界面,或可引入界面效应。该效应使得Sn空位形成能降低,从而导致SnTe载流子浓度上升,使得材料电导率得到提高。但是当SiC复合含量过高时,SiC本征低电导不利于样品电导率的继续提升。样品Seebeck系数数据显示,复合后样品室温附近Seebeck系数略有提升。通过Pisarenko曲线可以推测,其原因可能为SiC粉复合引入的能量过滤效应,而且该效应的强弱与复合物类型有关。较SiC或二氧化硅（SiO2）复合的SnTe样品,碳（C）粉复合的SnTe样品可获得更高的室温Seebeck系数。在热传输方面,SiC复合可抑制SnTe晶粒的长大。使得晶粒平均尺寸缩小,这意味着晶界数量的增多,继而增强了晶界对声子的散射。同时,SnTe基底与异质复合物形成的界面同样可散射声子,使得SnTe晶格热导率得到降低。所得复合SnTe样品晶格热导率最低值与通过化学掺杂方法得到样品的数值大致相当。此外,异质复合物对SnTe位错的传播起到了的钉扎作用,阻止了位错的传播,从而使得材料维氏硬度得到提高。复合样品维氏硬度较未复合样品至少提高1.7倍。SiC复合,可协同优化SnTe的热电性能与维氏硬度。但是复合样品热电优值依然逊色于化学合成得到的结果,这主要是由SiC复合并未有效提高Seebeck系数所导致。本论文采用双元掺杂的方法,提高了 SnTe合金热电优值,系统研究了双元掺杂协同调控SnTe热电性能的原因。研究结果表明,双元掺杂SnTe合金的热、电传输性能可通过能带工程、多尺度声子散射和强晶格振动非简谐性得到协同优化,证实了 SnTe是一类具有潜在应用前景的热电合金材料。同时,本论文对异质复合SnTe的研究结果表明,异质复合是一种有效的,可协同提高SnTe热电性能与硬度的方法,这有利于提高SnTe在实际应用中的服役性能。