含Se空缺In4Se3基热电材料的掺杂改性研究

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In4Se3基材料具有准二维层状晶体结构,该类材料本征晶格热导率低,是一类表现出潜在热电应用前景的中温区(500-900 K)n型热电材料。然而,In4Se3单晶体存在本征各项异性特征及解理习性,而In4Se3基多晶材料由于能有效地克服上述特点带来的问题,因此对其开展研究具有重要意义。文献研究表明:通过Se空缺和不同元素的掺杂作用可以优化In4Se3基材料的热电性能。本论文中,我们选择CuI和Ag作为掺杂物,分别研究了两者对含Se空缺In4Se3多晶材料热电性能的掺杂改性作用。采用固相合成法和热压工艺制备了4种系列样品:In4Se2.95(CuI)x(x=0-0.07),In4Se2.70(CuI)x(x=0-0.3),In4Se2.50(CuI)x(x=0-0.5)和In4-xSe2.95Agx(x=0-0.05)。具体研究内容包含两部分:  第一部分,我们研究了Se空缺和CuI掺杂对In4Se3基热电材料的协同作用。研究结果主要包括以下四个方面:  1) CuI掺杂明显降低了In4Se3-δ(δ=0.05,0.3,0.5)多晶材料的电阻率,从而提高了功率因子(PF),例如,In4Se2.50(CuI)0.3的PF比其未掺杂样品的PF提高达105%;并且,In4Se3-δ(CuDI)x材料的PF随CuI掺杂量(x)的增加而增加。  2) CuI的最大溶解极限(xm)受Se空缺浓度(δ)的限制,xm接近于δ,可简单表示为xm<δ;且δ越大,PF越大。  3) Se空缺浓度(δ)越大,越多的Cu原子占据层间间隙位点,增加了原子堆积密度,从而不可避免地增加了热导率(k);最终导致δ越小,κ越小。  4) CuI和Se空缺的协同作用是基于热电参数(σ,S,k)三者间的耦合关系,通过合理设计实现了该体系材料功率因子PF的提高和热导率κ的降低之间的平衡,并合理解释了三个系列材料ZT值的不同变化规律:In4Se2.70(CuI)x和In4Se2.50(CuI)x材料的最大ZT值分别为1.2和1.08(723 K),比相应未掺杂样品分别提高了80%和66%;特别地,在723 K,In4Se2.95(CuI)0.01得到的最大ZT值,即ZTmax=1.34,是目前无铅多晶In4Se3基热电材料的最大ZT值。  第二部分,我们从理论和实验上探讨了Ag掺杂对In4Se2.95多晶材料热电性能的影响。根据密度泛函理论计算,Ag从能量上最有利于占据夹层间隙位置或In4位点。实验结果显示,在In4-xSe2.95Agx(x=0-0.05)多晶材料中,Ag最大掺杂溶解极限(xm)很低(xm<0.03);而且,Ag掺杂不能显著优化该化合物的电学传输行为。结果地,In3.98Se2.95Ag0.02化合物得到最大的热电优值(ZT=0.92,723 K),比未掺杂化合物提高约15%,此热电性能的提升主要来源于功率因子的少许增加和总热导率的降低。
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