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CoSb_3基热电材料的高温高压合成及性质研究

姜一平  
【摘要】: 热电材料是一种能够实现电能和热能直接转换的功能材料。由热电材料制作的温差发电和制冷器件具有无污染、无噪声、安全可靠等优点,具有广泛的应用前景。而具有“电子晶体–声子玻璃”输运特征的填充式方钴矿笼状结构化合物较传统热电材料具有潜在的更高的热电性能。压力可以改变晶体内部的电子结构及其相关的各种参数。在压力的作用下,热电材料的热电性质也会随之发生改变,因此我们通过改变压力来借此获得高性能的热电材料。而且高压合成方法具有合成时间短,调制参数连续变化等优点。因此高温高压合成是一个寻找新材料,提高材料热电性能的一个极为有效地手段。在本论文中,我们采用高温高压方法合成CoSb_3基方钴矿热电材料并对其热电性质进行了研究。 利用高压合成方法在1.5~5.0GPa不同压力条件下成功制备出CoSb_3方钴矿热电材料,XRD衍射图谱显示合成的为单相CoSb_3。在室温下对不同压力下合成的CoSb_3的电学特性进行测试,结果表明样品的电阻率和Seebeck系数随着合成压力的升高而增大。 利用高压合成方法成功制备了置换掺杂型CoSb_3基方钴矿化合物CoSb_(2.750)TexGe_(0.250-x) (x=0.125, 0.175, 0.200)并对其性质进行了研究,发现样品的功率因子随着合成压力的升高逐渐降低,随着Te掺杂量的增加逐渐增加。虽然样品的Seebeck系数的绝对值随着压力的升高呈增加的趋势,但由于电阻率随着压力的升高增加的更为显著,所以导致合成样品的功率因子随合成压力的升高逐渐降低。压力为2.0GPa时, CoSb_(2.750)Te0.200Ge0.050的功率因子最大,达到7.59μW cm-1 K-2。研究结果表明高压合成方法制备的样品电输运性能有了明显的提高。 采用高压合成方法在1.5~4.5GPa压力条件下合成出了系列不同填充量的La填充型方钴矿热电材料LaxCo4Sb12(x=0.1, 0.3, 0.5, 0.8, 1.0),并研究了合成压力和不同填充量对其电输运性能的影响。从制备的样品的XRD衍射图可以看出LaxCo4Sb12具有CoSb_3立方结构,与常压下的CoSb_3的衍射图谱相吻合。随着La填充量的增加,晶格常数逐渐增加。LaxCo4Sb12样品的电阻率随着合成压力的升高而增大。在合成压力是1.5GPa时,研究了Seebeck系数、电阻率及功率因子随着La填充量的变化关系。研究结果表明,随着La填充量的增加,其电阻率和Seebeck系数均呈现出先增加后逐渐降低的趋势。当La的填充量为0.5时,CoSb_3的功率因子达到最大值5.16μW·cm-1·K-2。 在1.5GPa压力条件下制备了系列不同填充量的Sm填充型方钴矿SmxCo4Sb12(0x≤1.0)。随着Sm填充分数x的增加,SmxCo4Sb12化合物的Seebeck系数的绝对值呈现降低的趋势, SmxCo4Sb12的电阻率先上升,在填充量为0.2时电阻率达到最大。随着填充量的增加,方钴矿的电阻率大幅下降,在填充量为0.5时电阻率达到最小值。样品经过对比选择,进行变温的电学输运性能和热学输运性能测试。样品的晶格热导率都随着温度的升高而减小,Sm填充样品的热导率明显小于未填充样品的热导率,表明Sm填充能够有效降低CoSb_3方钴矿的晶格热导率。在测试温度范围内,Sm填充方钴矿热电材料的ZT值随着温度的升高逐渐增加。样品Sm0.5Co4Sb12在723K时,得到最大ZT值为0.81。


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