论文部分内容阅读
热电材料(TE)可以直接将热能和电能相互转换，在热电能量转换和固态制冷领域有极大的应有空间。BiSbTe合金是当今室温附近最好的热电材料，经过科研工作者几十年的努力，块体BiSbTe基热电材料的最高无量纲热电优值ZT一直徘徊在1左右。随着纳米技术的发展，研究人员通过实现材料的纳米化或引入纳米复合相来探索提高热电材料的热点优值，并取得了一系列进展。本论文以BiSbTe合金为基体，通过复合纳米相，构建微纳结构体系，探索纳米相对BiSbTe复合体系热电性能的影响。 (1)我们首先采用真空熔炼-中温热压技术相结合的方法制备了性能优良的(Bi2Te3)0.2(Sb2Te3)0.8热电材料，并以此(Bi0.4Sb1.6Te3)为基体，制备了以纳米石墨烯片(GNs)为分散相的纳米复合热电材料，并通过实验和理论两方面研究了其在300K到498K的热电性能。实验结果表明，加入少量的GNs之后，复合样品的载流子浓度和载流子迁移率都发生改变，在热电势S大小几乎不变的情况下最终引起复合样品f(GNs)/BiSbTe(f=0.3vol.％)的电导率提高。同时，我们通过载流子迁移率的计算得出，类似于晶界势的散射，在纳米复合材料中，由界面散射引起的μin缓解了总载流子迁移率(μT)的下降率，从而导致较低的电阻率。与此同时，由于GNs第二相的引入，增强的界面散射引起热导率降低20～30％，综合以上因素，当GNs含量为f=0.3vol.％时，GNs/BiSbTe复合样品的热电优值ZT在室温下达到1.29，当GNs含量为f=0.4vol.％时，GNs/BiSbTe复合样品的最大热电优值ZT在440 K达到1.54。这个结果表明了在BiSbTe为基体的热电材料里加入纳米石墨烯片(GNs)，有助于提升材料的热电性能。 (2)我们制备了以Bi0.4Sb1.6Te3为基体、以PbTe纳米颗粒为复合相的热电复合体系，研究了300 K-498K温度范围内f(PbTe)/BiSbTe(f=0，0.25，0.5和1.0wt.％）的热电性能。研究结果表明，在以(Bi2Te3)0.2(Sb2Te3)0.8为基体、以纳米PbTe为复合相所得到的纳米复合体系f(PbTe)/BiSbTe(f=0，0.25，0.5和1.0wt.％）中，复合体系电学性能电阻率和热电势随着PbTe含量增多同时逐渐降低，这主要是由于加入纳米PbTe颗粒后载流子浓度大幅提高引起的。在混合导电情况下，加入纳米PbTe颗粒后引入的异质结势垒对电子的散射比对空穴的散射更加强烈，样品f(PbTe)/BiSbTe(f=0.25，0.5和1.0wt.％)的热电势S随着温度的升高(T＜～470K)并没有降低而几乎是单调增加，最终引起功率因子在高温区得到提升。同时，由于第二相的界面增强散射，样品的晶格热导率明显降低，但是由于载流子热导率很大，样品的总热导率并没有我们预期的降低很多。综合以上，加入PbTe纳米颗粒后，复合体系的热电优值在高温区得到优化。特别地，复合样品f(PbTe)/BiSbTe(f=0.25wt.％)的热电优值ZT在～436K达到最大值，为1.49，这个结果比分散之前的基体材料(1.26)提高了～18％。在基体BiSbTe热电材料中加入PbTe，使得复合体系的热电性能在高温区得到了优化。