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《中国科学技术大学》 2018年
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掺杂与复合对Bi_xSb_(2-x)Te_3热电性能的调控

王玉树  
【摘要】:热电材料是一种不借助任何中间过程就可以实现热能和电能之间互相转化的功能材料,在工作过程中不产生机械振动和噪音,而且不排放任何有毒物质,由于其独特的性能,在废热利用以及制冷方面有着广泛的应用前景。Bi_2Te_3基热电材料是室温附近性能最好的热电材料。但是,长期以来块体Bi_2Te_3基热电材料的热电优值(ZT)一直在1左右,限制了该材料的大规模应用,提升该材料的ZT值具有重大应用价值。本论文就如何有效提升Bi_xSb_(2-x)Te_3(BST)的热电性能做了如下研究:(1)我们研究了 Te含量减少如何影响BST材料的热电性能。结果表明,随着碲含量逐渐减少,功率因子有不同程度提升,晶格热导率明显下降。在350K,化学式为Bi_(0.4)Sb_(1.6)Te_(2.9)的样品ZT有最大值1.3。由于Te含量略低于正常的化学计量比导致Bi/Sb占据Te位的反位缺陷增多,并且这种反位缺陷作用相当于受主,有利于增强电导。同时,缺陷结构增多使声子散射增强,因而晶格热导率下降。实验表明,略微减少BST中的Te含量对提升热电性能有积极作用。(2)我们研究了锗掺杂对多晶Bi_(0.4)Sb_(1.6)Te_3的热电性能的影响。结果表明,锗掺杂使电导提升了13-52%,同时使热导率降低了 5-11%。因而,Bi_(0.4)Sb_(1 59)Ge_(0.01)Te)3样品的ZT在350K达到最大值~1.48,比没掺杂的提升了大概25%。锗元素与锑元素的电负性十分接近,锗取代锑后使载流子浓度升高而迁移率变化不大,同时降低了晶格热导率。(3)我们研究了复合体材料f(CuInTe_2)/Bi_(0.4)Sb_(1.6)Te_3(f=0-0.3 wt.%)的热电性能。结果表明,复合CuInTe)2纳米颗粒后,在电阻率下降以及Seebeck系数的升高共同作用下,复合材料的功率因子有很大幅度提升,其中f=0.2wt.%的样品的功率因子在300K达到41μWcm~(-1)K~(-2)比Bi_(0.4)Sb_(1.6)Te_3提高了大约15%。另外,随着复合量的增大,复合材料的晶格热导率单调下降,主要是因为CuInTe_2颗粒增强了声子散射。最终,在400K左右f=0.2 wt.%的样品的ZT达到最大值1.45,比Bi_(0.4)Sb_(1.6)Te_3的ZT在相同温度提升了 45%。
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TB34

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