(Bi2Te3)0.90(Sb2Te3)0.05(Sb2Se3)0.05熔炼冷压烧结材料的制备及其热电性能的研究

本文采用熔炼冷压烧结法制备了n型赝三元(Bi2Te3)0.90(Sb2Te3)0.05(Sb2Se3)0.05熔炼冷压烧结热电材料,分析了材料的微观结构并测试了材料的热电性能.研究表明:烧结有利于提高材料的热电性能;n型赝三元熔炼冷压烧结热电材料的热电性能沿垂直于冷压压力方向存在优化取向.     

N型赝三元热压热电材料的微观结构和电学性能

通过熔炼/研磨技术和热压方法制备N型赝三元热压块体材料.通过SEM和XRD研究了由不同粒度粉末制备的热压块体材料的微观结构,在室温条件下测量了热压材料样品的电学性能.结果表明热压块体材料在微观结构和电学性能上存在各向异性,从而预示能够在增强材料机械强度的同时提高其热电性能.     

退火工艺对水热合成SnSe多晶材料热电性能的影响

单晶SnSe是一种具有优异热电性能的新型中温热电材料,但是具有更广阔应用前景的多晶SnSe热电性能较低.采用水热法结合放电等离子烧结技术制备了p型SnSe多晶块体热电材料,利用XRD、FE-SEM、ZEM-3热电测试系统等研究了不同退火温度对SnSe多晶材料物相组成、微观结构和热电性能的影响.结果 表明,合适的退火温度可以通过促进晶粒生长,减少晶格缺陷来调整载流子浓度和迁移率,提高材料的电导率,从而获得功率因子的显著提升.经过600℃退火处理后,SnSe多晶材料的电导率在773 K时最大值为3.83 μW/(cm·K2),但其热导率几乎保持不变,与未退火样品相比ZT值(773 K)从0.56提高到0.63.     

Ag/Yb0.35Co4Sb12热电复合材料的制备及热电性能研究

方钴矿作为性能优异的中温区热电材料而备受关注,如何进一步提升其热电性能是目前研究的热点和难点.本文采用"熔融-退火"结合放电等离子烧结(SPS)的简易方法,成功的制备出了具有不同Ag含量的热电复合材料,并研究了Ag的引入对基体材料热电性能的影响.结果表明,由于Ag的引入,使得电导率(σ)得到显著提升;除此之外,方钴矿与Ag界面之间的能量过滤效应以及基体能带受到Ag的影响,使得赛贝克系数(α)绝对值得到了显著提高;热导率(κ)虽有小幅提升,但得益于高功率因子,最终使得Ag/Yb0.35 Co4 Sb12复合材料的热电性能得到了大幅度提高.特别是当Ag含量为0.5wt;时,热电优值(ZT)在800 K达到1.28,相较于基体提高了44.3;.     

Sn掺杂Ⅰ型单晶笼合物Sr8Ga16Si30的能带及电子结构研究

Ⅰ型Sr填充Si基单晶笼合物为具有较高热电性能的热电材料.基于第一性原理分别对Sr填充Si基笼合物Sr8Ga16Si30-xSnx(x=0、1、5、10)的能带结构和态密度进行计算,结果表明随着Sn原子含量的增加,笼合物晶格常数变大,带隙变小,Sn原子和Si原子的共同作用使得材料能带结构发生改变,Sn掺杂使得材料的带边结构不对称性加剧,表明其因具有较为优越的热电性能.     

硅锗合金Seebeck系数影响因素的研究

作为一种洁净能源,硅锗合金的热电转换性能的研究越来越受到人们的重视.本文重点研究了不同Ge浓度的硅锗合金以及Si、Ge单晶在300～1100K温度范围内,Seebeck系数随温度的变化.并对组分相同导电类型不同、晶向不同以及结晶状态不同的样品的Seebeck系数进行了比较.在研究温度区间,Seebeck系数的绝对值大小一般在200～600μV/K之间,随温度不同连续变化.通过对比发现SiGe合金的Seebeck系数大小不仅与Ge的浓度和温度有关,其他因素对其绝对值也有影响,其中晶向最为明显,表现出了明显的各向异性.此外,材料本身的电阻率除了作为一个热电参数影响最优值外,其大小还对Seebeck系数的绝对值有影响,即掺杂济浓度对Seebeck系数的影响.     

高性能GeTe基热电材料的研究进展

随着环境相容性的提出,热电材料除具有优异的性能外,还需要由环境友好型元素构成.GeTe具有无毒无害的特点,因而被作为理想的PbTe替代物广泛研究.近年来,研究者主要以掺杂方式对其进行改善,由于单掺存在局限性,双掺便成了主导,且Pb元素逐渐被Sb、Bi等代替.本文从GeTe的晶体结构及能带结构特点出发,总结了载流子调控、能带调控和结构调控3种优化手段.目前的GeTe热电器件主要以p型单臂为主,n型GeTe热电材料还需要深入研究,同时,解决相变引起的界面断裂问题也是该材料的发展方向之一.     

稀土元素Ce掺杂对CaMnO3基热电材料的微观结构及高温电性能的影响

CaMnO3因其结构中元素在自然界中的丰度大、低毒和具有高温热和化学稳定性等优势而被认为是一类具有潜力的热电材料,但其较大的电阻率影响了热电性能的进一步提高.在钙位掺杂高价态稀土金属离子是降低其电阻率的有效途径.采用共沉淀法制备了一系列Ca1-xCexMnO3(x=0,0.02,0.04,0.06,0.10)热电材料.利用XRD,SEM等方法对材料的物相及断面形貌进行了表征,利用四探针法同时测量了CaMnO3材料的电阻率,Seebeck系数.XRD结果显示所有样品都为单相CaMnO3结构,扫描电镜显示Ce掺杂CaMnO3材料结构致密,具有较小和分散均匀的粒径.样品的电阻率和Seebeck系数的绝对值随着Ce掺杂量的增加而变小,Ca0.9Ce0.1MnO3的功率因子最大,为2.76×10-4W·m-1 ·K-2.     

热压工艺参数对N型(Bi2Te3)0.90(Sb2Te3)0.05(Sb2Se3)0.05热电材料电学性能的影响

通过熔炼/研磨/热压方法制备了N型(Bi2Te3)0.90(Sb2Te3)0.05(Sb2Se3)0.05热压合金样品,测量了由不同工艺参数(热压温度、热压压力)制备的样品的Seebeck系数和电导率.分析了热压参数对热电性能产生的影响.特别是发现了在实验压力范围内增加热压压力会使热压样品的Seebeck系数和电导率都有所提高,这与Seebeck系数和电导率通常变化趋势相反的规律有显著差异,其结果对热压样品的电学性能提高有积极的影响.     

基于第一性原理的AlGaN合金热电性质研究

热电材料能够实现热能与电能的转换,在缓解能源危机领域起着很重要的作用.目前热电材料的研究主要集中在Bi2Te3,PbTe等由重金属组成的化合物半导体和合金材料上,存在有毒有害物质,并巨一般只能应用在较低温度区域,因此新型热电材料成为目前热电领域研究的热点.论文基于第一性原理和玻尔兹曼输运理论对不同组分和不同导电类型AlGaN材料的电子结构和热电性质进行了研究.电子结构计算结果表明随着Al组分的提高,AlGaN的禁带宽度不断的增大,并巨AlGaN的能带结构存在能谷汇聚的现象,这种能谷汇聚可以有效的提高材料的塞贝克系数.热电性质计算结果表明AlGaN材料的ZT值随着Al组分的增加先增加后降低,在Al组分为0.5时ZT值最高,相对于GaN的ZT值可以提高70;以上;P型AlGaN 的热电性质要优于N 型AlGaN 材料,P型Al0.5Ga0.5N 材料的ZT值在1100 K时最高可以达到0.077,N型的Al0.5Ga0.5N材料的ZT值在相同温度时大约为0.037.     

Design,growth and characterization of PbTe-based thermoelectric materials

Thermoelectric devices convert thermal energy, i.e. heat, into electric energy. With no moving parts, the thermoelectric generator has demonstrated its advantage of long-duration operational reliability. The IV–VI compound semiconductor PbTe-based materials have been widely adopted for the thermoelectric applications in the medium temperature range of 350–650°C. In most of the reports, thermoelectric materials were manufactured by a hot pressing or quench and annealing method. The recent advancements in the converting efficiency of thermoelectrics, including PbTe-based materials, have been attributed to the modification on material inhomogeneity of microstructures by hot pressing or simply cooling the melt to reduce the thermal conductivity. On the other hand, due to its time-consuming preparation/processing and unnecessary good crystalline quality (for thermoelectric applications), the processing of thermoelectric materials by crystal growth resulted in very few investigations. In this report, the design and growth of the PbTe-based materials solidified from the melt for thermoelectric applications as well as the results of their thermoelectric characterizations will be reviewed. It shows that, besides its Figure of Merit comparable to other processing methods, the melt grown PbTe material has several additional capabilities, including the reproducibility, thermal stability and the functional gradient characteristics from the variation of properties along the growth length.     

N型赝三元机械合金化冷压烧结热电材料的制备及其性能

本文采用机械合金化法成功制备了N型赝三元(Bi2Te3-Sb2Te3-Sb2Se3)合金粉体材料,该材料颗粒均匀、细小,颗粒尺寸在10～100nm量级.在此基础上采用冷压烧结法制备了N型赝三元机械合金化冷压烧结热电材料.研究了这种热电材料的电导率、塞贝克系数与烧结温度的关系.     

Mg2Sn机械性质及热电输运性能的第一性原理计算

窄带隙半导体材料Mg₂Sn具有丰度大、密度低、无毒及环境友好等特点,是中低温热电材料的优秀候选者。本文基于密度泛函理论,结合不同形式的电子交换关联能系统分析了Mg₂Sn晶体的弹性系数、声子振动谱和电子能带结构,并基于非平衡玻尔兹曼输运理论计算了Mg₂Sn的热电性能。结果表明,GGA-PBE作为电子交换关联能可以很好地拟合立方相Mg₂Sn的力学性能(声子振动谱无虚频率),其体弹性模量为42.1 GPa且各向同性。同时,当工作温度高于300 K,Mg₂Sn的德拜温度开始趋于平缓且不高于315 K,表明Mg₂Sn在该温度区域内具有低声子热导率。使用B3LYP作为电子交换关联能可以估算Mg₂Sn费米能级附近的电子结构,发现价带顶附近存在三重简并态。同时计算结果表明,Mg₂Sn p型掺杂下的热电优值(ZT值)优于n型掺杂,可达1.05。本研究结果为进一步优化Mg₂Sn热电性能的研究提供借鉴。     

Dy掺杂Ca1-x Dyx MnO3(x=0,0.02,0.03,0.05,0.10)热电材料的Rietveld精修及高温热电性能研究

本文采用共沉淀法制备Dy掺杂Ca_1-xDy_xMnO₃(x=0,0.02,0.03,0.05,0.10)热电材料,通过X射线衍射对热电材料进行物相结构表征,利用Rietveld粉末衍射全谱拟合方法对X射线衍射数据进行精修得到Dy掺杂Ca_1-xDy_xMnO₃(x=0,0.02,0.03,0.05,0.10)热电材料的精细结构,利用标准四探针法测试高温热电性能.Rietveld精修结果表明,随着Dy掺杂量的增加,CaMnO₃样品的晶胞参数及晶胞体积逐渐变大.对应的电阻率测量结果表明,掺杂样品的电阻率随着Dy掺杂量的增加而减小.其中Ca_0.9Dy_0.1MnO₃的室温电阻率最低,为6.7×10^-5 Ω·m,是未掺杂CaMnO₃的1/6倍.     

水热法制备ZnO晶体及纳米材料研究进展

纳米ZnO材料是新型宽禁带半导体材料,具有优良的光学及电学性能,在太阳能电池电极及窗口材料、声表面波材料、光电材料、敏感材料等方面得到广泛应用.纳米ZnO材料性能与制备技术有很大关系,本文综合评述了水热法制备纳米ZnO材料研究现状,研究了其制备特点及制备机理,从纳米ZnO晶体、阵列或薄膜、粉体三个方面制备实例研究了水热制备方法,最后探讨了纳米ZnO材料发展前景.     

Polycrystalline LaFe3CoSb12 material manufactured by melt-freeze-annealing method

A new method called melt-freeze-annealing has been developed to fabricate polycrystalline thermoelectric LaFe₃CoSb₁₂ The melting and annealing temperatures as well as the freezing style all can affect the phase content, porosity and grain size of skutterudite polycrystalline materials. The use of a higher melting temperature and a appropriate buffer temperature with annealing at about 700°C are the best conditions for fabricating the LaFe₃CoSb₁₂ polycrystalline materials. The polycrystalline skutterudite materials fabricated by a melt-freeze-annealing procedure possessed high skutterudute content, fine grain size and very low porosity, and are suitable for thermoelectric usage.     

Polymer electrolyte liquid crystal mixtures as phase-dependent thermoelectric materials

Organic thermoelectric materials have gained a trajectory in recent years given its advantages of processability, low cost and flexibility. In this paper, polymer electrolyte liquid crystal (PELC) mixtures composed of polyvinyl alcohol, potassium iodide, and 4-Cyano-4'-pentylbiphenyl (5CB) liquid crystal are fabricated, the 5CB acts as a ‘temperature switch’, i.e., a strong correlation between the thermoelectric properties and the transition from Ne-Iso transition of the 5CB, is observed. The electrical conductivity and Seebeck coefficient of the PELC mixtures both decrease above the Ne-Iso transition temperature. This thermoelectric behavior is discussed in terms of the carrier concentration, carrier mobility, and order-disorder transition.     

Al掺杂ZnO多晶的热电输运性质研究

采用固相反应法制备了六方纤锌矿结构Zn1-xAlxO(0≤x≤0.03)系列多晶,探究了Al掺杂对ZnO多晶的微观形貌和热电输运性质的影响.结果表明,Al掺杂促使ZnO晶粒长大联结,晶界减少,x＞0.003时出现在晶界分布的ZnAl2O4尖晶石相.掺杂后样品由ZnO的半导体行为转变为电阻率显著下降的金属行为,且x=0.003有最小的室温电阻率～1.7 mΩ·cm,主要由于掺杂使样品载流子浓度和迁移率显著提高,x=0.003时载流子浓度和迁移率为最高,分别为1.05×1021 cm-3和20 cm2/V·s;300 ～900 K下掺杂样品热电势的绝对值和功率因子均随温度升高而增大,x =0.003时有最大的室温功率因子～0.4mW/m·K2.综合得到ZnO中Al掺杂的饱和固溶度x≈0.003.     

钙钛矿及类钙钛矿热致变色单晶材料的研究进展

随着人们对智能光伏玻璃、智能温度传感器等智能光电器件的需求增加,卤化物钙钛矿热致变色材料逐渐走进大众视野,由于钙钛矿材料的颜色可随温度发生快速响应,且该循环可逆,其在智能变色半导体器件中的应用相关研究已获得了广泛的关注。本文从钙钛矿单晶材料出发,首先介绍了钙钛矿及类钙钛矿单晶材料的几种常用液相制备方法。随后分别重点介绍了三维卤化物钙钛矿、低维类钙钛矿等几类单晶材料的热致变色现象,包括不同类型的材料因结构不同,而表现出两种不同的热变色机理:以低维类钙钛矿材料为代表的结构相变和以双钙钛矿材料为代表的晶格膨胀。对比了不同单晶材料热致变色性能的优劣,如是否具有可逆性等,同时介绍了其在多功能应用领域的发展潜力。最后对钙钛矿热致变色材料目前面临的挑战和未来的发展进行了展望。     

金刚石辐射伏特效应同位素电池器件研究进展

微机电系统、深空、深海探测任务等对于长效、便携电源提出了更高的要求。同位素电池由于其能量密度高、功率输出稳定,可以在高低温、无太阳光照等极端环境下持续不断地为月球车、海底探测器等提供能量。作为同位素电池中的主要类型,辐射伏特效应同位素电池由于其理论能量转换效率高、易于微型化被广泛研究,并已经成功应用于心脏起搏器。宽禁带的半导体换能结器件制作的同位素电池能够获得更高的能量转换效率。宽禁带半导体中的代表金刚石具有5.5 eV的禁带宽度与耐辐射的特性,使其成为制作辐射伏特效应同位素电池换能结器件的最佳选择。随着化学气相沉积技术的发展,金刚石晶体的外延技术突飞猛进,为金刚石半导体器件的发展打下了材料基础。本文对比了常见的同位素电池换能结用半导体材料和辐射源材料的特性,介绍了辐射伏特效应的基本原理,接着对辐射伏特效应同位素电池的关键参数进行了分析,并汇总了有关金刚石辐射伏特效应同位素电池研究的文献,通过各个参数,如开路电压、转换效率等的对比,指出了目前金刚石同位素电池发展的状态与存在的问题。通过分析金刚石与其他n型半导体材料组成的异质pn结目前的性能与应用情况,给出了基于金刚石异质pn结的高性能同位素电池的结构设计,并进行了总结与展望。