【摘 要】
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SnTe合金与PbTe合金具有相同的晶体结构和相似的能带结构,是一种环境友好的中温热电材料。SnTe合金本征的高空穴浓度和较大的轻重价带能量差导致其Seebeck系数和功率因子较低,同时其晶格热导率相对较高,热电优值低。在降低晶格热导率的同时提高功率因子是优化SnTe热电性能的重要途径之一。本文在Mn掺杂诱发能带汇聚的基础上采用高温淬火+中温退火形成高密度位错以及在In合金化诱发能级共振的基础上采
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SnTe合金与PbTe合金具有相同的晶体结构和相似的能带结构,是一种环境友好的中温热电材料。SnTe合金本征的高空穴浓度和较大的轻重价带能量差导致其Seebeck系数和功率因子较低,同时其晶格热导率相对较高,热电优值低。在降低晶格热导率的同时提高功率因子是优化SnTe热电性能的重要途径之一。本文在Mn掺杂诱发能带汇聚的基础上采用高温淬火+中温退火形成高密度位错以及在In合金化诱发能级共振的基础上采用Cu和Li掺杂构建纳米第二相降低SnTe的晶格热导率,同时提高其功率因子和热电优值。利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、球差校正扫描透射电子显微镜、Seebeck系数/电导率测试系统、霍尔效应测量系统以及激光导热仪等先进表征设备系统地研究了掺杂对SnTe微结构和电热输运性能的影响规律及机制。研究结果表明,采用过量的Sn补偿阳离子空位有效降低了载流子浓度并提升Seebeck系数,提高了全温域功率因子和热电优值。随自补偿量增加,Sn1+δTe合金的平均功率因子(PFave)和平均热电优值(ZTave)均先增大后减小,当δ=0.03时,300 K~873 K温度区间的PFave和ZTave分别达最大值15.97μW cm-1 K-2和0.358。在此基础上采用Mn掺杂诱发能带汇聚与高温淬火+中温退火引入的高密度位错相结合进一步提高Sn1.03-xMnxTe合金的热电性能。随Mn含量增加,合金的位错密度增加,电导率降低,Seebeck系数增加,晶格热导率及总热导率降低,功率因子和热电优值先增大后减小,当x=0.09时,PFave和ZTave分别达最大值18.21μW cm-1 K-2和0.78。冷热端温度分别为300 K和873 K时,计算的最大转化效率达11.5%。研究发现,在In合金化诱发低温能级共振的基础上,Cu掺杂使(SnTe)2.94(In2Te3)0.02-(Cu2Te)x合金载流子浓度降低,费米能级升高,合金在高温区出现能带汇聚效应,获得了高Seebeck系数和高功率因子。同时合金中出现纳米共格Cu2Te第二相和Cu间隙原子,增强了声子散射,降低了晶格热导率,当x=0.18时,晶格热导率降至0.47 W m-1 K-1@873 K,对应的ZT值高达1.55。研究指出,Li掺杂在In合金化的SnTe中形成尺寸小于20 nm且弥散共格的第二相Li Te3,增强声子散射,降低晶格热导率。随Li掺杂量增加,整体上(SnTe)2.94(In2Te3)0.02-(Li2Te)x合金的晶格常数、Seebeck系数和晶格热导率降低,载流子浓度和电导率升高。当x=0.045时,合金在300 K~873 K之间的PFave达28.01μW cm-1 K-2,较纯SnTe合金提高192%,同时由于其自相容性因子对温度不敏感,在长度为4mm,冷热端温度分别为300 K和873 K时,计算的最大输出功率密度和转化效率分别达5.63 W cm-2和9.67%。
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