硒化锡晶体制备及其电热输运性能

来源 :中国科学院大学(中国科学院宁波材料技术与工程研究所) | 被引量 : 0次 | 上传用户:cmxhjjcz
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热电材料是一种可以利用材料内部载流子输运实现热能和电能相互转换的功能材料。SnSe晶体作为一种性能良好的新型热电材料,具有环境友好、原料丰富等特点,近年来受到研究人员广泛关注。但关于其本征性质问题仍有待研究,例如多晶SnSe载流子浓度低以及n型单晶SnSe热电性能择优取向的问题。本文以SnSe晶体为研究对象,采用熔融热压法制备SnSe多晶,采用温度梯度法制备SnSe单晶,分别对其电热输运性能进行了研究。多晶SnSe与AgSbSe2复合后会发生结构相转变,从Pnma相转变为Fm3m相,并且随着AgSbSe2含量增加,Fm3m相所占比例增大。另外在本实验中由于自旋轨道耦合(SOC)效应,塞贝克系数和电导率的相互制约关系被部分解耦,实现了二者同时增大,呈现了较为反常的实验现象。在基体中添加AgSbSe2以后,还有效提升了多晶SnSe的载流子浓度,其中样品Sn0.5(AgSb)0.25Se载流子浓度在室温可达4.6×1020cm-3,由于电导率和塞贝克系数随着AgSbSe2含量增加同时增大,其最大功率因子在842 K达~8μWcm-1K-2。AgSbSe2还增强了立方相多晶SnSe中的声子散射,降低了其晶格热导率,最终样品Sn0.4(AgSb)0.3Se在842 K获得最大ZT值,约为0.82。单晶SnSe是采用温度梯度法生长制备,在掺杂PbBr2后,本征p型SnSe转变为n型。单晶SnSe呈现明显的各向异性,其中out-of-plane方向的ZT值高于in-plane方向,这与p型SnSe单晶择优取向相反。沿着out-of-plane方向,SnSe0.95+2%PbBr2样品在723 K取得ZTmax~2.1,而SnSe0.95+1%PbBr2样品在300-813 K之间具有最大的ZTave~1.07。此外,我们还发现在out-of-plane方向出现了异常电学行为,当PbBr2掺杂量达到3%时,载流子迁移率急剧下降。通过XRD测试以及理论计算,我们发现这是晶格常数变化引起费米面动力学演变而引起的。将1%Ge掺杂样品SnSe0.95+3%PbBr2进行晶格常数a调控后,载流子迁移率恢复到原来水平,样品的ZTmax从0.6提升至1.7。
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