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纳米热电材料的微结构及其对热电性能的影响

贺慧芳  
【摘要】:随着化石能源的逐渐枯竭、空气污染的日益严重,可持续发展的绿色能源技术已成为人们研究的焦点。运用热电材料制备的热电转换器件能够使热能和电能直接相互转换,能够将各种剩余的和浪费的热量如工业余热、汽车排放的尾气热量等转换成有用的干净的电能。因此,热电转换技术为我们提供了一种解决能源危机和缓解空气污染的方案。目前,如何提高热电材料的转换效率已成为该领域的研究重点。转换效率受电导率、塞贝克系数、热导率等多种因素的影响。通过传统手段不断寻求新的材料体系只能在一定程度上提高热电性能。而通过调节和改变材料的微观结构,降低热导率,能够有效地提高材料的转换效率。然而材料的微观结构,尤其是材料中的缺陷对其热电性能有何种影响,目前还需要广泛和深入的研究。正电子是一种自我搜寻式的探针,对原子尺度的缺陷有独特的敏感性,因此特别适合探测材料的微观结构。研究热电材料中的缺陷及其对热电性能的影响是一项非常有意义的课题。热电材料晶粒的纳米化是提高热电性能行之有效的方法。在纳米热电材料中存在着大量的界面和晶界区域,而在这些区域存在着大量的缺陷,它们能够作为声子的散射中心,增强声子的散射,从而降低晶格热导率。若其电导率和塞贝克系数在热电材料纳米化的过程中没有发生很大的损失,则就可以保证热电转换效率的提高。这已被许多理论和实验结果所证实。因此,纳米热电材料优异的热电性能可能与高浓度的界面缺陷有关。为证实这一观点,本文选取了Bi2Te3和In203这两类纳米热电材料作为研究对象,利用正电子湮没谱学作为研究材料缺陷的主要手段,首先研究了不同温度热处理的纳米Bi2Te3的微观结构,探讨了微观结构对其热电性能的影响。其次研究了不同掺杂浓度对纳米Bi2Te3的微观结构及其热电性能的影响。最后,系统的研究了不同热处理温度对纳米In203的微观结构和热电性能的影响。所取得的主要结果如下:1、利用水热法合成了Bi2Te3纳米粉末,将一部分粉末在350℃下进行放电等离子烧结,然后在350-500℃范围内每间隔50℃进行退火处理,将另一部分粉末分别在300-500℃范围内每间隔50℃进行放电等离子烧结处理。X射线衍射(XRD)测试表明,不同温度退火的Bi2Te3纳米热电材料和不同温度放电等离子烧结的Bi2Te3纳米晶的主要衍射峰都与标准卡片一致。扫描电子显微镜(SEM)观察表明,两组热处理后的材料的形貌都呈类片状,且随着热处理温度的升高,纳米材料的颗粒都有所长大。但是根据XRD和高分辨电子显微镜(HRTEM)的观察结果,样品的晶粒尺寸并没有随热处理温度的升高而有明显的变化。利用正电子湮没寿命谱测量探讨了不同热处理温度对Bi2Te3纳米晶界面缺陷的影响。其测量结果表明,所有样品中都存在空位型缺陷,这些缺陷很可能存在于晶界区域,并且空位型缺陷的浓度随着热处理温度的升高而单调下降。不同温度退火的样品的电阻率和塞贝克系数也随退火温度的升高而有所变化。Bi2Te3纳米晶热导率κ和晶格热导率κL都随着热处理温度的升高而单调增加。空位型缺陷和晶格热导率之间的密切关系证明了,对于这两组Bi2Te3样品来说晶格热导率κL的降低主要是由空位型缺陷引起的声子散射造成的,而不是晶粒尺寸的影响。2、利用水热法合成了Bi2Te3-xSex (x=0-0.6)纳米粉末,然后将其在300℃下通过放电等离子烧结技术烧结成致密的片状样品。XRD测试结果显示,不同掺杂浓度的Bi2Te3-xSex (x=0-0.6)样品都是单相的,并无其他杂质出现。根据XRD结果计算得到的样品晶粒尺寸基本没变化。扫描电子显微镜的结果表明,掺杂后的Bi2Te3颗粒有所长大。而正电子湮没寿命测试结果发现,掺杂浓度的改变并没有使缺陷大小和浓度发生明显的变化。电阻率测量表明,随着掺杂浓度的升高样品的导电性逐渐增强,对于掺杂浓度较低的样品(x0.15)呈现出了半导体的导电特性,而对于掺杂浓度较高的样品(x0.15)则呈现出了金属的导电特性。晶格热导率κL的测量结果表明,随着掺杂浓度的增加,晶格热导率κL单调下降。由于晶粒尺寸和空位型缺陷的大小都没有发生明显的变化,故晶格热导率的降低很可能是由于Te原子和Se原子之间的质量差增强了声子散射造成的。3、我们还对不同温度热处理的In203纳米材料进行了研究。首先将一部分高纯度的In203纳米粉在700℃下进行放电等离子烧结,然后在700-1300℃范围内进行退火处理。将另一部分高纯度的In203纳米粉在500-1000℃范围内每间隔100℃进行放电等离子烧结。XRD测试结果表明,这两组In203样品在经过热处理后都是良好的单相。不同温度退火后的样品的特征峰随退火温度的升高而逐渐尖锐,这说明样品在经历高温处理后,其结晶度提高了,并且根据XRD结果计算得到的平均晶粒尺寸也随着退火温度的升高而逐渐增大。而不同温度放电等离子烧结的样品的平均晶粒尺寸没有随处理温度的升高而发生明显的变化。随后,我们又对这两组样品分别进行了正电子湮没测量,结果表明,随着热处理温度的升高,较大的空位团逐渐分解成了较小的空位团。电阻率测量结果表明,电阻率随着热处理温度的升高而降低。而塞贝克系数的变化趋势与电阻率的基本一致。样品的晶格热导率基本上随着热处理温度的升高而增加,这很可能是空位型缺陷在热处理过程中的变化引起的。同时样品晶粒尺寸的变化也可能影响晶格热导率。但是有关晶粒尺寸对于晶格热导率的具体影响有待一步研究。


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