MnTe基热电材料的制备及性能研究

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MnTe是一种潜在的中温p型热电材料。它具有热导率较低,原料成本低、环境友好等优点。目前其热电性能仍较低,尚不能与一些高性能的n型中温热电材料相匹配。为提高其热电性能、促进其在中温区温差发电领域中的应用,本论文主要通过掺杂调控材料成分、引入点缺陷以调控其电、热输运性能,最终提高MnTe基块体材料的综合热电性能。  采用真空熔炼-淬火结合热压烧结的方法制备了MnTe基块体材料。通过XRD、FESEM、TEM等测试手段分析表征了样品的物相组成及微结构;利用显微硬度测试研究材料的机械性能;通过霍尔系数测试研究样品的载流子浓度和迁移率,采用Namicro热电测试系统及激光热导仪测试研究材料的热电性能。在此基础上,得出了以下主要研究结果:  系统地研究了不同含量Cu掺杂对MnTe热电性能的影响。结果表明,Cu掺杂降低了MnTe基热电材料的带隙,使得空穴浓度显著提高,电性能得到有效地改善。同时,Cu掺杂引入大量点缺陷,引起了原子质量和应力场扰动,进而加强对载热声子的散射,降低晶格热导率。因此其ZT值得到了提高。其中Mn0.925Cu0.075Te试样的ZT值在773K时达到0.55,相比于MnTe基体的0.4提高了近35%。  以Na2S化合物作为掺杂对象,系统地研究了阴阳离子双掺杂对MnTe基材热电性能的影响。一方面,Na进入到Mn的位置形成类受主点缺陷Na--Mn,有效增大了材料的空穴浓度,电阻率显著降低,其功率因子在整个温度范围都有较大程度的提高;另一方面,阴阳离子双掺杂形成大量的点缺陷增强对声子的散射,降低材料的晶格热导率。所以其ZT值在整个温度范围内得到明显地提升,其中Na2S掺入量为0.5at%的试样的ZT值在873K时达到峰值为1.1,与无添加的MnTe基体材料相比,ZT值提高了约57%。值得注意的是,掺杂0.5at%Na2S的试样在300~873K范围内的平均ZT值为0.52,相比于无添加的MnTe的平均ZT值(0.18)提高了190%。  选取热电性能最好的MnTe+0.5at%Na2S试样为研究对象,研究了其机械性能和热稳定性。结果表明:该试样的显微硬度(Hv=122)明显高于无添加的MnTe基体材料(Hv=100);经过在873K、100小时退火后,该试样的功率因子在整个测试温度区间与没有退火的样品都很接近。可见,0.5at%Na2S掺杂的试样不仅有较高的ZT值,同时还具有较好的机械性能和热稳定性。
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