弱拓扑绝缘体Bi2TeI热电材料的制备与性能优化

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拓扑绝缘体由于其独特的电子结构和低的热导率逐渐受到热电研究学者的关注。由量子自旋霍尔层和普通绝缘体层交替堆垛而成的弱拓扑绝缘体,具有极低的晶格热导率,是一类潜在的热电材料。本文以弱拓扑绝缘体Bi2TeI为研究对象,开展了其块体材料制备与电热输运性能研究。针对该材料制备困难的问题,进行了Bi2TeI块体材料的熔融-退火-放电等离子体烧结制备工艺探索,并研究了材料的热电性能。通过掺杂Cu和Zn和复合CuI两种途径进一步优化了Bi2TeI块体材料的热电性能。得到如下主要结论:  (1)采用熔融-退火-放电等离子体烧结工艺制备了Bi2TeI材料,发现在熔融温度为723K、熔融时间为8h和I过量10at%的条件下可获得单相Bi2TeI材料。同Bi2Te3和BiTeI两种层状材料对比,Bi2TeI材料由于载流子浓度高和带隙较小,表现出较高的电导率和低的Seebeck系数。由于Bi2TeI独特的层状堆垛结构引起的强烈晶格非简谐效应,导致其具有最低的晶格热导率。  (2)通过Cu和Zn掺杂优化p型Bi2TeI材料的热电性能。CuxBi2TeI和ZnyBi2TeI的显微结构分析表明Cu和Zn原子进入了Bi2TeI层状晶格,Zn掺杂量为0.015时达到掺杂极限,导致ZnI2杂质的形成。Cu掺入降低了载流子浓度,引起电导率降低和功率因子下降。Zn掺入增加了载流子浓度,这与Zn取代了Bi位造成更多空穴有关,引起电导率升高。Zn0.01Bi2TeI材料的功率因子取得最大值,达到0.15mW m-1K-2。掺杂Cu和Zn样品的热导率随掺杂量增大均先降低后升高,热导率先降低与产生的缺陷散射和无序散射有关,热导率后升高可能是因为量子自旋霍尔层与普通绝缘层之间的层间耦合增强及第二相ZnI2杂质的影响。ZnyBi2TeI在掺杂0~2%范围内ZT值显著增加,Zn0.01Bi2TeI样品ZT值最大达到0.078,比未掺杂的样品提高了70%。  (3)采用熔融-退火-球磨-放电等离子体烧结工艺制备了一系列p型xCuI/Bi2TeI块体复合材料。显微结构分析结果表明,CuI颗粒分布在基体的晶界上。xCuI/Bi2TeI复合材料的载流子浓度随CuI含量增大而降低,这与CuI产生的掺杂效应有关。xCuI/Bi2TeI复合材料的热导率逐渐降低,这是由于晶界处的CuI产生界面声子散射和掺杂引起的点缺陷散射。3wt%CuI/Bi2TeI复合材料具有最大ZT值约0.11,相比基体材料提高了67%。
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