碲化鉍基熱電材料制備與性能研究.pdf

1、熱電轉化材料是基于半導體材料的塞貝克效應（Seebeck）和帕爾貼效應（Peltier）進行熱能和電能直接相互轉換的一類功能材料。碲化鉍基熱電材料是目前室溫條件下性能最好的熱電轉換材料之一，但傳統(tǒng)的晶體生長方法制得的碲化鉍基材料的熱電性能較低，其熱電優(yōu)值ZT一直在1.0左右，且其力學性能較差，不利于材料的加工和器件的制備。因此，需要制備出同時具有較高的熱電性能和較強的力學性能的熱電材料，來進一步拓寬其應用領域。實驗以碲化鉍基熱電材料為研

2、究對象，采用區(qū)熔法或熱等靜壓燒結法，通過元素摻雜方式，制得區(qū)熔熱電材料和燒結熱電材料，并研究了其微觀結構及熱電輸運性能。其主要研究內容與結論如下：
　?。?）采用區(qū)熔法制備Sr摻雜P型Bi0.48Sb1.52Te3熱電材料。通過實驗設計，利用Sr2+取代基體中Bi3+，使材料內部載流子濃度提高，優(yōu)化材料的電學性能。由于Sr元素的摻雜，基體中產生了大量缺陷，如晶界、點缺陷和位錯等，能對不同波段的聲子進行有效散射，使材料晶格熱導率降低

3、。最終，摻雜量x=1.25的樣品在350K獲得的熱電優(yōu)值ZT高達1.32，較基體材料（0.98）提高大約35%。
　　（2）采用區(qū)熔法制備N型Bi2Te2.79Se0.21區(qū)熔鑄錠，然后粉碎、過篩，以不同粒徑范圍的區(qū)熔粉料為起始原料，利用熱等靜壓燒結法制備原料粒徑處于不同范圍的N型Bi2Te2.79Se0.21熱電材料。燒結樣品的取向性隨原料粒徑的增大而逐漸變好；燒結樣品原料粒徑越小，其熱電性能越好。原料粒徑小于96um的燒結樣品

4、在420K獲得最高ZT值0.61。區(qū)熔鑄錠的粉碎、燒結過程不僅使其載流子濃度增加，還引入大量缺陷，降低晶格熱導率。雖然燒結樣品熱導率較低，但其功率因子降低幅度也較大，使得燒結樣品的最高ZT值（0.61）明顯低于區(qū)熔材料（0.89）。但當溫度為455K到550K，由于燒結樣品的熱導率仍然較低，能夠彌補其在功率因子方面的不足，使原料粒徑小于96um的燒結樣品在該溫度段的ZT值略高于區(qū)熔樣品。
　?。?）熱等靜壓燒結法的優(yōu)化，并探究樣品

5、在該工藝過程中的微觀結構變化。以相同粒徑范圍的 N型 Bi2Te2.79Se0.21區(qū)熔粉料為起始原料，采用熱等靜壓燒結法制備有真空燒結步驟和無真空燒結步驟的兩組燒結樣品。有真空燒結步驟的樣品內部晶粒長大，導致其晶格熱導率相對較高。當溫度為455K到550K，無真空燒結樣品的ZT值略高于有真空燒結樣品。因此，可以通過省略真空燒結步驟來優(yōu)化熱等靜壓燒結法，在提高材料熱電性能的同時還能節(jié)約能源，且樣品經熱等靜壓燒結法處理后仍保持較好的取向性