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热电材料是一种利用材料内部电子或声子载流子输运实现热能与电能相互转换的功能材料。Zintl相化合物具有复杂的晶体结构和电子结构，是一种很有前景的新型热电材料。目前Mg3Sb2基材料体系实现了n型和p型输运并且热电优值得到优化，开发一种同时具有n型和p型输运性能的新型Zintl相热电材料，并在n型和p型材料中获得高热电性能是近年来的研究热点。此外，n型Mg3Sb2基化合物的热电优值已超过1.5，优化与之匹配的p型热电材料的热电优值是推动热电技术发展以实现发电应用的关键所在。本文以YbMg2Pn2（Pn=Sb和Bi）基Zintl相化合物为研究对象，研究了该材料体系的结构和电声输运性能，通过优化载流子浓度和声子工程实现热电性能的提升。主要研究内容如下：
（1）通过在Yb位点掺杂Na增大YbMg2Sb2基化合物的载流子浓度，系统研究Na掺杂对p型Yb1-xNaxMg2Sb2样品的晶体结构和热电性能的影响。发现Yb、Mg和Na等亲氧元素易于被氧化形成氧化物，热压后样品晶界处出现对样品晶体结构和热电性能无明显影响的空洞。Na掺杂提供载流子，Yb1-xNaxMg2Sb2样品的电阻率和赛贝克系数明显降低，功率因子显著提高，热导率稍微降低，最终在x=0.02时，即Yb0.98Na0.02Mg2Sb2样品中最高ZT值在773K时可达0.6。采用第一性原理计算YbMg2Sb2的能带结构，发现YbMg2Sb2是一种禁带宽度为1.23eV的间接带隙半导体，价带顶附近的Γ点多个能带的特征，表明其p型材料具有高热电性能的潜力。
（2）通过Ag掺杂和YbMg2Sb2-YbMg2Bi2合金化增大载流子浓度，同时增强合金散射，以提高功率因子和降低热导率从而进一步优化p型材料的热电性能。发现随着Ag掺杂浓度的增大，Yb1-xAgxMg2Sb2样品的电阻率和赛贝克系数均明显降低，功率因子显著提高，热导率降低，热电性能提升。当Ag掺杂浓度升高到x=0.01时，即Yb0.99Ag0.01Mg2Sb2样品中功率因子最高并且热导率最低，最高ZT值在773K时可达0.5。当Ag掺杂量x=0.02时达到掺杂饱和度，样品出现Sb杂相。基于Yb0.99Ag0.01Mg2Sb2样品更低的热导率，采用YbMg2Sb2-YbMg2Bi2合金化方式优化Yb0.99Ag0.01Mg2Sb2-yBiy样品的电声输运性能。随着Bi浓度的增大，电阻率和赛贝克系数同时进一步降低，功率因子得到优化，最高可达11μW cm?1K?2，相比Na掺杂之后的最高功率因子（9.5μW cm?1K?2）更高。合金化同时也导致合金散射显著增强，热导率明显降低，当Bi浓度升高到y=1时，即Yb0.99Ag0.01Mg2SbBi样品中热导率最低。综合两者之后，最高ZT值在773K时可达1，进一步表明p型YbMg2Sb2是一种很有前景的新型热电材料。
（3）针对YbMg2Sb2具有低空穴载流子浓度的特征，通过在YbMg2Sb2中Yb位点掺杂Y，同时增大Mg空位补偿浓度得到n型Yb1-xYxMg2.2+δSb2基热电材料。随着Y掺杂浓度和Mg补偿浓度的增大，Yb1-xYxMg2.2+δSb2样品的电阻率和赛贝克系数均明显降低，功率因子显著提高，热导率降低，在x=0.02和δ=0.1时，即Yb0.98Y0.02Mg2.3Sb2样品中功率因子和ZT值最高，最高ZT值在773K时为0.2。进一步，基于理论计算中YbMg2Sb2的导带特性和声子结构分别主要来源于Yb轨道和Yb原子，采用Mg取代Yb0.98Y0.02Mg2.3Sb2样品Yb位点的方式进一步优化n型半导体的热电性能。Yb0.98-yY0.02MgyMg2.3Sb2样品的电阻率和赛贝克系数同时随着Mg浓度的增大而进一步降低，功率因子得到优化，最高可达6μW cm?1K?2，同时合金散射显著增强导致热导率明显降低，当Mg浓度升高到y=0.5时，即Yb0.48Y0.02Mg0.5Mg2.3Sb2样品中热导率最低。最终最高ZT值在773K时可达0.75，表明n型YbMg2Sb2是一种很有前景的热电材料。
（4）采用声子工程增强声子散射的方式降低YbMg2Bi2基热电材料的晶格热导率以提高平均ZT值，YbMg2Bi2本身具有功率因子和室温热导率较高的特征，通过YbMg2Bi2-Mg3Bi2合金化，利用Yb和Mg较大的质量差增大点缺陷散射降低室温热导率，提高平均ZT值及能量转换效率。平均ZT值从YbMg2Bi1.96的0.46提高到Yb0.8Mg0.2Mg2Bi1.96的0.61，提高了约33%；最大热电转换效率可从YbMg2Bi1.96的7.5%提高到Yb0.8Mg0.2Mg2Bi1.96的10%，提高了约33%。进一步，基于最优元素组成Yb0.8Mg0.2Mg2Bi1.96，采取增大半导体带隙及增加载流子浓度的方式抑制双极热导，在保持较高平均ZT值的同时优化最高ZT值，表明增大禁带宽度和载流子浓度是优化热电性能的有效手段。
（1）通过在Yb位点掺杂Na增大YbMg2Sb2基化合物的载流子浓度，系统研究Na掺杂对p型Yb1-xNaxMg2Sb2样品的晶体结构和热电性能的影响。发现Yb、Mg和Na等亲氧元素易于被氧化形成氧化物，热压后样品晶界处出现对样品晶体结构和热电性能无明显影响的空洞。Na掺杂提供载流子，Yb1-xNaxMg2Sb2样品的电阻率和赛贝克系数明显降低，功率因子显著提高，热导率稍微降低，最终在x=0.02时，即Yb0.98Na0.02Mg2Sb2样品中最高ZT值在773K时可达0.6。采用第一性原理计算YbMg2Sb2的能带结构，发现YbMg2Sb2是一种禁带宽度为1.23eV的间接带隙半导体，价带顶附近的Γ点多个能带的特征，表明其p型材料具有高热电性能的潜力。
（2）通过Ag掺杂和YbMg2Sb2-YbMg2Bi2合金化增大载流子浓度，同时增强合金散射，以提高功率因子和降低热导率从而进一步优化p型材料的热电性能。发现随着Ag掺杂浓度的增大，Yb1-xAgxMg2Sb2样品的电阻率和赛贝克系数均明显降低，功率因子显著提高，热导率降低，热电性能提升。当Ag掺杂浓度升高到x=0.01时，即Yb0.99Ag0.01Mg2Sb2样品中功率因子最高并且热导率最低，最高ZT值在773K时可达0.5。当Ag掺杂量x=0.02时达到掺杂饱和度，样品出现Sb杂相。基于Yb0.99Ag0.01Mg2Sb2样品更低的热导率，采用YbMg2Sb2-YbMg2Bi2合金化方式优化Yb0.99Ag0.01Mg2Sb2-yBiy样品的电声输运性能。随着Bi浓度的增大，电阻率和赛贝克系数同时进一步降低，功率因子得到优化，最高可达11μW cm?1K?2，相比Na掺杂之后的最高功率因子（9.5μW cm?1K?2）更高。合金化同时也导致合金散射显著增强，热导率明显降低，当Bi浓度升高到y=1时，即Yb0.99Ag0.01Mg2SbBi样品中热导率最低。综合两者之后，最高ZT值在773K时可达1，进一步表明p型YbMg2Sb2是一种很有前景的新型热电材料。
（3）针对YbMg2Sb2具有低空穴载流子浓度的特征，通过在YbMg2Sb2中Yb位点掺杂Y，同时增大Mg空位补偿浓度得到n型Yb1-xYxMg2.2+δSb2基热电材料。随着Y掺杂浓度和Mg补偿浓度的增大，Yb1-xYxMg2.2+δSb2样品的电阻率和赛贝克系数均明显降低，功率因子显著提高，热导率降低，在x=0.02和δ=0.1时，即Yb0.98Y0.02Mg2.3Sb2样品中功率因子和ZT值最高，最高ZT值在773K时为0.2。进一步，基于理论计算中YbMg2Sb2的导带特性和声子结构分别主要来源于Yb轨道和Yb原子，采用Mg取代Yb0.98Y0.02Mg2.3Sb2样品Yb位点的方式进一步优化n型半导体的热电性能。Yb0.98-yY0.02MgyMg2.3Sb2样品的电阻率和赛贝克系数同时随着Mg浓度的增大而进一步降低，功率因子得到优化，最高可达6μW cm?1K?2，同时合金散射显著增强导致热导率明显降低，当Mg浓度升高到y=0.5时，即Yb0.48Y0.02Mg0.5Mg2.3Sb2样品中热导率最低。最终最高ZT值在773K时可达0.75，表明n型YbMg2Sb2是一种很有前景的热电材料。
（4）采用声子工程增强声子散射的方式降低YbMg2Bi2基热电材料的晶格热导率以提高平均ZT值，YbMg2Bi2本身具有功率因子和室温热导率较高的特征，通过YbMg2Bi2-Mg3Bi2合金化，利用Yb和Mg较大的质量差增大点缺陷散射降低室温热导率，提高平均ZT值及能量转换效率。平均ZT值从YbMg2Bi1.96的0.46提高到Yb0.8Mg0.2Mg2Bi1.96的0.61，提高了约33%；最大热电转换效率可从YbMg2Bi1.96的7.5%提高到Yb0.8Mg0.2Mg2Bi1.96的10%，提高了约33%。进一步，基于最优元素组成Yb0.8Mg0.2Mg2Bi1.96，采取增大半导体带隙及增加载流子浓度的方式抑制双极热导，在保持较高平均ZT值的同时优化最高ZT值，表明增大禁带宽度和载流子浓度是优化热电性能的有效手段。