【摘 要】
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Ⅳ-Ⅵ族半导体SnTe,具有和Pb Te相同的面心立方晶体结构,相似的双价带结构,并且不含有毒元素,近些年来受到了广泛关注。但是SnTe的缺点同样十分明显。本征的SnTe具有高浓度的
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Ⅳ-Ⅵ族半导体SnTe,具有和Pb Te相同的面心立方晶体结构,相似的双价带结构,并且不含有毒元素,近些年来受到了广泛关注。但是SnTe的缺点同样十分明显。本征的SnTe具有高浓度的Sn空位,导致其具有很高的载流子浓度。过高的载流子浓度不利于Seebeck系数的提升。另外,轻重价带能量差过大、带隙较小、本征的热导率较高等因素,同样限制了SnTe的热电性能。本文以(SnTe)2.94(In2Te3)0.02作为基体材料,引入Zn的硫族化合物(ZnTe、ZnSe、ZnS),采用高温熔炼-淬火-长时间退火,结合热压烧结制备样品,利用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、电导率/塞贝克系数测试系统和激光热导仪等手段研究合金的组织结构与热电性能,主要研究成果如下。Zn的硫族化合物可在一定程度上提高材料的载流子浓度而并不影响迁移率。其中,基体合金的室温载流子浓度为2.55×1020 cm-3,(SnTe)2.94(In2Te3)0.02-0.12Zn Te和(SnTe)2.94(In2Te3)0.02-0.12Zn Se的室温载流子浓度分别为3.63×1020 cm-3和3.92×1020 cm-3,相对于基体分别提高了42.3%和53.7%。(SnTe)2.94(In2Te3)0.02-0.09Zn S的载流子浓度约为3.06×1020 cm-3,提高了20%。由于电导率的大幅度提高,有效地弥补了Seebeck系数降低的幅度,(SnTe)2.94(In2Te3)0.02-0.06Zn Te和(SnTe)2.94(In2Te3)0.02-0.03Zn Se在300 K和423 K的功率因子分别为27.4μW cm-1 K-2和26.3μW cm-1 K-2,相对于基体分别提高了30.5%和25.2%。对于SnTe基热电材料来说,常用的降低晶格热导率的方法是引入点缺陷或者纳米第二相。本文中,随着Zn的硫族化合物含量的提高,材料中第二相的含量不断增加。但可观察到的第二相的尺寸约在几百纳米到几微米之间。晶格热导率的降低主要来源于点缺陷散射。其中,(SnTe)2.94(In2Te3)0.02-0.12Zn Se在873 K的最低晶格热导率为0.96 W m-1 K-1。各合金的热电优值相差不大。输出功率密度与转换效率均明显提高,(SnTe)2.94(In2Te3)0.02-0.03Zn Se在器件中材料的长度L=2 mm,冷端温度Tc=300 K条件下,当热端温度为870 K的最大值分别为10.4 W cm-2和9.0%。相对于基体分别提高了9.1%和9.5%。
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