掺杂Bi的Mg-Si-Sn基材料的制备与热电性能

【摘要】：Mg_2Si_(1-x)Sn_x是一种广泛适用于中温域(400K-800K)的热电材料,Mg_2Si_(1-x)Sn_x有很多优点,如热电性能优良,构成元素储量丰富,对环境无污染等,Mg_2Si_(1-x)Sn_x也正是因为这些优点而受到科研人员们的广泛关注。本文先将Mg,Si,Sn,Bi粉末按Mg_2Si_(0.4)Sn_(0.6-x)Bi_x比例混合,球磨,压制成型,真空烧结。利用X射线衍射分析仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和德国林塞斯赛贝克系数/电阻分析系统LSR-3(热电性能测试仪)对烧结材料进行分析,进而探究不同烧结温度、不同Bi掺杂量和不同退火时间对烧结材料的结构和性能的影响。得出如下主要结论:不同烧结温度处理的材料中,500℃-2h真空烧结的材料中主要有Mg_2Si、Mg_2Sn相,580℃-2h真空烧结的材料中有Mg_2Si、Mg_2Sn和Mg_2(Si,Sn)固溶体相,620℃-2h真空烧结的材料中有Mg_2Si、Mg_2Sn、Mg_2(Si,Sn)固溶体和金属Sn相。把580℃-2h和620℃-2h真空烧结材料在500℃真空致密化处理2h,材料的Mg_2(Si,Sn)固溶体逐渐分解成Mg_2Si、Mg_2Sn两相,但并没有完全分解,仍有部分固溶体。上述材料再经过580℃-2h的固溶处理,材料中含有Mg_2Si、Mg_2Sn、Mg_2(Si,Sn)固溶体和少量MgO相,没有获得期待的单一Mg_2(Si,Sn)固溶体。500℃-2h烧结材料在600℃退火,随退火时间从0延长到1.5h,材料中Mg_2Si相逐渐减小,而Mg_2(Si,Sn)固溶体量逐渐增多,同时,由于Mg_2Si和Mg_2Sn相的分解,材料中少量MgO和金属Sn相也逐渐增多。随测试温度的增加,制备材料的电阻率都急剧减小,这是典型的半导体特征。制备材料的Seebeck系数是负值,表明这些材料都为n型半导体。随着Bi含量的增加,Mg-Si-Sn-Bi烧结材料的电阻率是先减小后增大,而Seebeck系数绝对值变化不规律,存在最佳的Bi掺杂量,使得功率因子最大。烧结材料中金属Sn的存在,虽然能减小电阻率,但却极大降低了Seebeck系数的绝对值。可以适当在材料中增加少量的纳米金属Sn以减小材料的电阻率,但同时不能显著影响Seebeck系数绝对值的大小,从而获得较大的功率因子。Mg_2(Si,Sn)固溶体的含量对材料的Seebeck系数有好的影响,含量越多,Seebeck系数的绝对值越大,功率因子越大;少量MgO相对材料的热电性能没有太大的影响。