Ge基Clathate化合物的热电性能研究

来源 :中国科学院研究生院 中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:yangl3255
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热电转换是利用半导体材料的塞贝克效应或帕尔帖效应实现热能与电能直接相互转换的技术,其转换效率主要取决于材料的无量纲性能指数,即ZT值(ZT=α2σT/κ,其中为α为为赛贝克系数、σ为电导率、κ为热导率、T为绝对温度)。Ge基Clathrate笼状化合物由框架结构及填充原子两部分构成,填充原子作为散射中心,对声子造成强烈散射,有效降低晶格热导率;电子在框架结构进行输运,填充原子散射对框架原子的电输运影响不太明显,因此被认为是一类符合“声子玻璃—电子晶体”(PGEC)概念的新型热电材料。   近年来,针对Clathrate化合物的各类研究工作主要集中于两方面提升该体系的热电性能,一是调节载流子浓度,以达到提高功率因子(α2σ)的目的;二是降低晶格热导率。本论文分别采用框架原子掺杂与纳米复合两种途径,探讨对Ge基Clathrate笼状化合物热电性能的影响规律。主要研究内容如下:   (1)利用Al原子取代Ga原子,探讨其对Ba8Ga16Ge30热电性能的影响规律;在确定Al最佳掺杂量的基础上,进一步制备了Ba8Ga16-xAlxGe30-ySby化合物,研究双掺杂对该体系热电性能的影响,从而充分改善其热电性能。结果表明,当x=2时,材料的功率因子(α2σ)基本不变而热导率降低,热电性能最为优异。Al(x=2)、Sb双掺杂结果显示,在870K时,Ba8Ga14Al2Ge29Sb化合物的ZT值可增大至0.81。   (2)Ba24ZnxGe100-x是一类不同于Ba8Ga16Ge30的新型Clathrate热电材料。当x=6时,XRD结果显示体系出现第二相。Zn掺杂有效调节了Ba24Ge100体系的电输运性能,电导率随x变化先减小后增大,赛贝克系数则先增大后减小,最终有效改善了该体系的功率因子(α2σ)。当x=2时,在900K的α2σ值由x=0的5.2μW/K2cm增大至9.7μW/K2cm。   (3)采用水热合成SnO2纳米颗粒与Ba8Ga16Ge30热电材料进行复合,通过放电等离子烧结(SPS)制备了块体材料,研究了第二相纳米颗粒的添加对热电性能的影响。结果表明,随着SnO2含量增加,复合材料的电导率逐渐减小而赛贝克系数略有增大,热导率呈先减小后增大的变化趋势,其主要原因是分布于晶界的SnO2纳米颗粒有效散射了低频声子及低能电子。当x=0.5时,复合材料具有最大ZT值,在870K约为1.1,这相对于Ba8Ga16Ge30样品提高了46%。
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