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镍掺杂方钴矿的快速合成与热电性能研究

马雷强  
【摘要】:随着工业化的发展和生活水平的提高,生产、生活中对于能源的要求越来越高。人们开始重视传统能源的弊端,寻求更加高效、清洁的新能源。热电材料是一种可以将热能与电能相互转换的功能性半导体材料,可以利用环境中较小的温差发电,提高能源的利用效率。方钴矿是一种中温热电材料,具有优良的电输运性能,但较高的热导率影响了材料的热电性能。如何在不影响方钴矿电性能的情况下降低热导率就成了研究的方向。异种元素的掺杂是其中的一种方法,通过掺杂可以调控方钴矿的载流子浓度,增加点缺陷。使得方钴矿的电输运性能得到调控,晶格热导率得到优化。本文主要采用微波5 min合成结合SPS烧结制备Ni元素掺杂与Fe、Ni元素双掺杂方钴矿。由于903 K的烧结温度不能满足合金化反应的要求,所以可以确定微波5 min合成了掺杂方钴矿。与常见的合成方法相比,微波加热更均匀,合成时间更短,避免了晶粒的长大。合成后的方钴矿成分均匀、纯度较高不需要进行长时间的退火。通过观察试样的微观结构,测试热电性能探究方钴矿的热电输运机制。合成了Ni元素掺杂方钴矿合金材料,试样呈现n型半导体特征。随着掺杂量的增加,导致载流子浓度增加。其中Ni_(0.3)Co_(3.7)Sb_(12)的功率因子最大值为2711μWm~(-1)K~(-2)。掺杂引入了点缺陷,细化了晶粒,增强了声子散射。掺杂后的样品晶格热导率下降导致总的热导率下降,这是点缺陷与细化晶粒共同作用的结果。试样的热电优值(ZT)最大值随掺杂量的增加向高温移动,试样Ni_(0.3)Co_(3.7)Sb_(12)的ZT值最大为0.52。在Ni_xCo_(4-x)Sb_(12)的基础上,我们又探索了Fe、Ni双元素掺杂方钴矿。合成制备了Fe_yNi_(0.2)Co_(3.8-y).8-y Sb_(12)合金材料,试样呈现n型半导体特征。与Ni元素单掺杂相比Fe、Ni双掺杂电阻率明显下降,功率因子增加。Fe_(0.1)Ni_(0.2)Co_(3.7)Sb_(12)在687 K得到最大功率因子为2666.7μWm~(-1)K~(-2),Ni_(0.2)Co_(3.8)Sb_(12)功率因子仅为2479μWm~(-1)K~(-2)。试样Fe_(0.1)Ni_(0.2)Co_(3.7)Sb_(12)热电优值最高为0.50,比Ni_(0.2)Co_(3.8)Sb_(12)的ZT值0.45要高。


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