硒化亚铜制备与其热电性能的研究

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目前,能源紧缺、能源利用率低以及能源在使用过程中造成的污染问题严重制约着人类的发展。因此,追求一种清洁的可持续利用能源成为人类关注的重点。热电材料作为一种环境友好型材料,可以实现热能和电能的直接转换,具有广泛的应用前景。  热电材料的种类有很多,技术较为成熟、性能较好的大多是金属半导体合金。这些热电材料的成本较高且含有对人体有害的元素,不易大规模使用。P型Cu2Se热电材料具有独特的晶体结构,是一种潜在的“声子液体-电子晶体”特征的热电材料,具有很好的热电性能。另外,Cu和Se元素在地球上的储量相对较多,生产成本较低。因此,Cu2Se热电材料受到国内外学者的广泛关注。  本论文采用高温熔融法、高能球磨法和热压烧结法相结合的制备技术制备样品。研究了不同烧结电流对Cu2Se样品的热电性能影响,通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)等表征技术分析讨论了Cu2Se合金具有很高热电优值的原因。实验表明:200A电流烧结的Cu2Se样品具有明显的层状结构,相比于其它样品,热导率明显降低,具有最好的热电性能。通过对200A烧结电流的Cu2Se样品进行变温XRD分析发现,Cu2Se合金在100℃附近发生可逆的α-β相变。高温β-Cu2Se中Cu离子处于一种超离子的状态,具有很强的流动性;加上样品内部明显的层状结构,这些都增大了材料对声子的散射,可大幅度地降低了热导率。因此,它具有很高的热电优值(ZT)。由于层状结构的差异,Cu2Se热电材料具有各向异性,平行热压压力方向的样品在600℃时ZT峰值为1.97,高出文献报道的同温度下的峰值达30%左右。  为了进一步探讨Cu2Se热电材料,本论文分别掺入C和Si元素,研究了掺杂对Cu2Se材料热电性能的影响。实验表明,掺C样品的电导率比未掺杂样品的小,但是掺C样品的热导率要明显低于未掺杂的样品。综合电学和热学性能的影响,Cu2Se0.98C0.01样品的ZT值在600℃时达到2.07,略高于Cu2Se样品。这说明适当的掺C量可以提高Cu2Se材料的热电性能。但是,掺Si样品的热电优值ZT都低于未掺杂的Cu2Se样品,未能达到提高Cu2Se材料热电性能的效果。
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