非等电子Sb替换Cu和Te后黄铜矿结构半导体Cu_3Ga_5Te_9的热电性能

热电材料是一类能够实现热与电相互转换的功能材料,在制冷和发电领域极具应用潜力.本文采用金属Sb元素非等电子替换Cu3Ga5Te9化学式中的Cu和Te,观察到材料Seebeck系数和电导率提升的现象.这些电学性能的改善与载流子浓度和有效质量的增大及迁移率基本维持不变有关.载流子浓度的提高是由于Sb原子占位在Te晶格位置后费米能级进入到价带所产生的空穴掺杂效应所致,同时也与Cu含量减少后铜空位(V-1Cu)浓度增大相关联.另外,非等电子替换后,阴离子(Te2-)移位导致了晶格结构缺陷参数u和η的改变,其改变量fiu和fiη与材料晶格热导率(κL)的变化密切相关.在766 K时,适量的Sb替换量使材料的最大热电优值(ZT)达到0.6,比Cu3Ga5Te9提高了近25%.因此,通过选择替换元素、被替换元素及替换量有效地调控了材料的电学及热学性能,在黄铜矿结构半导体中实现了非等电子元素替换改善热电性能的思想.     

Ga填充n型方钴矿化合物的结构及热电性能

用熔融退火结合放电等离子烧结(SPS)技术制备了具有不同Ga填充含量的Ga_xCo₄Sb₁₂方钴矿化合物,研究了不同Ga含量对其热电传输特性的影响规律. Rietveld结构解析表明,Ga占据晶体学2a空洞位置,Ga填充上限约为0.22,当Ga的名义组成x≤0.25时,样品的电导率、室温载流子浓度N_p随Ga含量的增加而增加,Seebeck系数随Ga含量的增加而减小. 室温下霍尔测试表明,每一个Ga授予框架0.9个电子,比Ga的氧化价态Ga³⁺小得多. 由于Ga离子半径相对较小,致使Ga填充方钴矿化合物的热导率κ及晶格热导率κ_L较其他元素填充的方钴矿化合物低. 当x＝0.22时对应的样品在300K时的热导率和晶格热导率分别为3.05Wm^-1·K^-1和 2.86Wm^-1·K^-1.在600K下Ga_0.22Co_4.0Sb_12.0样品晶格热导率达到最小,为1.83Wm^-1·K^-1,最大热电优值Z,在560K处达1.31×10^-3K^-1. 关键词： skutterudite化合物 Ga原子填充 结构 热电性能     

n型Bi2Te3基化合物的类施主效应和热电性能

晶粒细化是提高Bi₂Te₃基热电材料力学性能的重要方法,但晶粒细化过程中伴随的类施主效应严重劣化了材料的热电性能,并且一旦产生类施主效应,就很难通过简单的热处理等工艺消除.本文系统研究n型Bi₂Te₃基化合物烧结前粉体颗粒尺寸对材料类施主效应和热电性能的影响规律.随着颗粒尺寸减小,氧诱导的类施主效应明显增强,载流子浓度从10 M烧结样品的3.36×10¹⁹ cm^-3急剧增加到120 M烧结样品的7.33×10¹⁹ cm^-3,严重偏离最佳载流子浓度2.51×10¹⁹ cm^-3,热电性能严重劣化.当粉体颗粒尺寸为1—2 mm时,烧结样品的Seebeck系数为–195 μV/K,载流子浓度为3.36×10¹⁹ cm^-3,与区熔样品沿着ab面方向的Seebeck系数为–203 μV/K和载流子浓度为2.51×10¹⁹     

TeI4掺杂量对n型Bi2Te3基烧结材料热电性能的影响

采用区熔法结合放电等离子体快速烧结(SPS)技术制备了n型Bi₂Te₃基热电材料.在300—500K的温度范围内测量了各热电性能参数，包括电导率(σ)、塞贝克系数(α)和热导率(κ)，研究了掺杂剂TeI₄的含量(质量百分比分别为0，0.05，0.08，0.10，0.13和0.15wt%)对热电性能的影响.结果表明：试样的载流子浓度(n)随TeI₄含量增加而增大，使电导率增大、塞贝克系数的绝对值先增大而后减小，从而导致品质因子(α²σ)呈先增加后降低的变化趋势；同时，由于异质离子(I^-)以及载流子对声子的散射作用增强，可显著降低其晶格热导率.烧结材料的性能优值(ZT=α²σT/κ)对应于TeI₄含量为0.08wt%有其最大值，约为0.92.此外，烧结材料的抗弯强度增加至80MPa左右，从而可以显著改善材料的可加工性以及元器件的使用可靠性. 关键词： 2Te₃')" href="#">Bi₂Te₃ 放电等离子体快速烧结 热电性能     

In0.3Co4Sb12-xSex 方钴矿热电材料的制备和热电性能

用熔融退火结合放电等离子烧结法制备了In_0.3Co₄Sb_12-xSe_x(x=0—0.3)方钴矿热电材料,探讨了In的存在形式,系统研究了Se掺杂量对结构和热电性能的影响.结果表明:In可以填充到方钴矿二十面体空洞处,过量In在晶界处形成InSb第二相,Se对Sb的置换使晶格常数减小,In填充上限降低;In_0.3Co₄Sb_12-xSe_x样品呈n型传导,随着Se掺杂量的增大,载流子浓度降低,电导率下降,Seebeck系数增大,功率因子有所降低;由于在结构中引入了质量波动及晶格畸变,适量的Se掺杂可以大幅降低材料晶格热导率;样品In_0.3Co₄Sb₁₂和In_0.3Co₄Sb_11.95Se_0.05的最大ZT值均达到1.0以上. 关键词： 掺杂 填充式方钴矿 热电性能     

多元半导体光伏材料中晶格缺陷的计算预测

半导体光伏材料的发展在过去60多年中表现出了清晰的多元化趋势. 从20世纪50年代的一元Si太阳能电池, 到20世纪60年代的GaAs和CdTe电池、70年代的CuInSe₂电池、80年代的Cu(In, Ga) Se₂、90年代的Cu₂ZnSnS₄电池, 再到最近的Cu₂ZnSn(S, Se)₄和CH₃NH₃PbI₃电池, 组成光伏半导体的元素种类从一元逐渐增多到五元. 元素种类的增多使得半导体物性调控的自由度增多, 物性更加丰富, 因而能满足光伏等器件应用的需要. 但是, 组分元素种类的增多也导致半导体中晶格点缺陷的种类大幅增加, 可能对其光学、电学性质和光伏性能产生显著影响. 近20年来, 第一性原理计算被广泛应用于半导体中晶格点缺陷的理论预测, 相对于间接的实验手段, 第一性原理计算具有更加直接的、明确的优势, 并且能对各种点缺陷进行快速的研究. 对于缺陷种类众多的多元半导体体系, 第一性原理计算能预测各种点缺陷的微观构型、浓度和跃迁(离化)能级位置, 从而揭示其对光电性质的影响, 发现影响器件性能的关键缺陷. 因而, 相关的计算结果对于实验研究有直接、重要的指导意义. 本文将首先介绍半导体点缺陷研究的第一性原理计算模型和计算流程; 然后, 总结近5年来两类新型光伏半导体材料, 类似闪锌矿结构的Cu₂ZnSn(S, Se)₄半导体和有机-无机杂化的钙钛矿结构CH₃NH₃PbI₃半导体的点缺陷性质; 以这两类体系为例, 介绍多元半导体缺陷性质的独特特征及其对太阳能电池器件性能的影响.     

非化学计量比AgSbTe2+x化合物制备及热电性能

采用高纯元素直接熔融、淬火并结合放电等离子烧结方法制备了非化学计量比AgSbTe_2+x(x=0—0.05)系列样品,研究了不同Te含量在300—600 K范围内对样品热电性能的影响规律.结果表明:随着Te含量的增加,Ag⁺离子空位浓度增加,空穴浓度和电导率大幅度提高,Seebeck系数减小.热导率随Te过量程度的增加略有增加,但所有Te过量样品的晶格热导率均介于0.32—0.49 W/mK之间,低于化学计量比样品的值,接近理论最低晶格热导率.AgS 关键词： 2')" href="#">AgSbTe₂ 非化学计量比 热电性能 热导率     

金属氧化物半导体场效应管热载流子退化的1/fγ噪声相关性研究

研究了金属氧化物半导体(MOS)器件在高、中、低三种栅压应力下的热载流子退化效应及其1/f^γ噪声特性.基于Si/SiO₂界面缺陷氧化层陷阱和界面陷阱的形成理论,结合MOS器件1/f噪声产生机制,并用双声子发射模型模拟了栅氧化层缺陷波函数与器件沟道自由载流子波函数及其相互作用产生能级跃迁、交换载流子的具体过程.建立了热载流子效应、材料缺陷与电参量、噪声之间的统一物理模型.还提出了用噪声参数Sf ^{关键词： 金属氧化物半导体场效应管 热载流子 fγ噪声')" href="#">1/fγ噪声}     

第一性原理研究单层Ge2X4S2(X=P,As)的热电性能

单层Ge₂X₄S₂(X=P, As)是最近预测的一种二维层状材料,它们不仅拥有高的光吸收系数,同时还有较高的载流子迁移率,这意味着它们在光电和热电领域可能有较好的应用前景.本文通过第一性原理和玻尔兹曼输运理论系统地研究了这两种材料的热电性质.结果表明,单层Ge₂P₄S₂和Ge₂As₄S₂在室温下展现较低的晶格热导率,沿armchair方向分别为3.93 W·m^-1·K^-1和3.19 W·m^-1·K^-1, zigzag方向分别为4.38 W·m^-1·K^-1和3.79 W·m^-1·K^-1,这主要是由低的声子群速度、大的格林艾森参数以及小的声子弛豫时间造成的.基于HSE06泛函计算出的能带结构表明单层Ge₂     

Ag偏离化学计量比Ag1－xPb18SbTe20材料的热电传输性能

采用熔融-淬火-放电等离子体烧结制备了Ag偏离化学计量比Ag_1-xPb₁₈SbTe₂₀(x=0，0.25，0.50，0.75)样品，研究了Ag含量对样品热电传输性能的影响.结果表明，随Ag含量降低，样品中出现少量第二相Sb₂Te₃，样品载流子浓度增加到5×10¹⁸cm^-3后不再增加.样品载流子迁移率随Ag含量降低先降低后增加，随着温度增加，载流子散射机理由电离杂质散射转变为声学波散射.随Ag含量降低，样品电导率增加而Seebeck系数降低，热导率增加. 关键词： 热电材料 mSbTe_m+2')" href="#">AgPb_mSbTe_m+2 SPS 散射机理     

Experimental investigation of current modulation in a planar Cs-Batacitron

The Cs-Ba tacitron is being considered as a switch, or as an inverter consisting of two switches operating in a push-pull mode, for power conditioning of low voltage/high current dc power sources operating in high radiation/high temperature environment, beyond the limits of semiconductor switches. This paper presents new experimental results delineating the effect of the various operating parameters on the grid potential needed for ignition, V_g⁺, and extinguishing, V_g^-, during stable current modulation of a planar Cs-Ba tacitron. Parameters investigated are Cs pressure, emitter temperature, T_E, discharge current, I_C , and modulation frequency, f_g. The value of V_g ⁺, which is independent of T_E, decreases as Cs pressure increases, but increases as either I_C or f_g increases. Increasing the emitter temperature from 1100-1200°C only slightly decreases the forward voltage drop in the device by ~0.2 V. The value of |V_g^-| increases with Cs pressure, decreases with increased T_E, and is sensitive to changes in fg. At I_C=5 A, the value of |V_g ^-| for stable modulation shows a maximum between 8 kHz and 10 kHz. The Cs pressure, I_C, fg, and V_g⁺ all affect the ignition delay time; depending on the operating conditions, it increases from 5-30 μs to an equilibrium value of 10-45 μs during the first 2 ms in the pulse train     

含硫宽禁带Ga2Te3基热电半导体的声电输运特性

目前对宽禁带半导体热电材料的研究开始升温, 原因是本征情况下宽禁带半导体往往具有低的热导率和高的Seebeck系数. Ga₂Te₃ 是一类带有缺陷的宽禁带半导体, 其在临界温度680± 10 K和757± 10 K处会参与共析转变和包晶反应, 因此会产生反应热. 本次工作采用少量的S元素等电子替换Ga₂Te₃中的Te元素, 观察到在临界温度附近热焓的变化, 但没有相变发生. 受热焓变化的影响这类材料在临界温度附近出现了较活跃的声电输运行为, 具体表现为热容和Seebeck系数(α)明显增大及热扩散系数(热导率)和电导率下降. 例, 对于x=0.05的材料, 其α值从596 K 时的376.3(μV·K^-1)迅速增大到695 K时的608.2(μV·K^-1), 然后又随温度升高到764 K时迅速降低到213.8(μV·K^-1). 在596 K到812 K范围, Seebeck系数和电导率几乎随温度均呈Z字形变化. 这些输运行为的变化揭示了在Ga₂Te₃基半导体中声子和载流子的临界散射特点, 这种临界散射特征对以后的继续研究具有重要的参考价值.     

Thermoelectric performance of XI2 (X = Ge,Sn, Pb) bilayers

We study the thermal and electronic transport properties as well as the thermoelectric (TE) performance of three two-dimensional (2D) XI₂ (X=Ge, Sn, Pb) bilayers using density functional theory and Boltzmann transport theory. We compared the lattice thermal conductivity, electrical conductivity, Seebeck coefficient, and dimensionless figure of merit (ZT) for the XI₂ monolayers and bilayers. Our results show that the lattice thermal conductivity at room temperature for the bilayers is as low as ~1.1 W·m^{-1·K-1-1.7 W}·m^{-1·K-1, which is about 1.6 times as large as the monolayers for all the three materials. Electronic structure calculations show that all the} XI₂ bilayers are indirect-gap semiconductors with the band gap values between 1.84 eV and 1.96 eV at PBE level, which is similar as the corresponding monolayers. The calculated results of ZT show that the bilayer structures display much less direction-dependent TE efficiency and have much larger n-type ZT values compared with the monolayers. The dramatic difference between the monolayer and bilayer indicates that the inter-layer interaction plays an important role in the TE performance of XI₂, which provides the tunability on their TE characteristics.     

Study on the Effects of the Light CP-odd Higgs via the Leptonic Decays of Pseudoscalar Mesons

To explain the anomalously large decay rate of Σ⁺→p+μ⁺μ^-, it was proposed that a new mechanism where a light CP-odd pseudoscalar boson of m_A1⁰=214.3 MeV makes a crucial contribution. Later, some authors have studied the transition π⁰→ e⁺e^- and r → γA₁⁰ in terms of the same mechanism and their result indicates that with the suggested mass one cannot fit the data. This discrepancy might be caused by experimental error of Σ⁺→ p+μ⁺μ^- because there were only a few events. Whether the mechanism is a reasonable one motivates us to investigate the transitions π⁰→ e⁺e^-;η(η')→ μ⁺μ^-; η_c→ μ⁺μ^-; η_b→τ⁺τ^- within the same framework. It is noted that for π⁰→ e⁺e^-, the standard model (SM) prediction is smaller than the data, whereas the experimental central value of η→μ⁺μ^- is also above the SM prediction. It means that there should be extra contributions from other mechanisms and the contribution of A₁⁰ may be a possible one. Theoretically calculating the branching ratios of the concerned modes, we would check if we can obtain a universal mass for A₁⁰ which reconcile the theoretical predictions and data for all the modes. Unfortunately, we find that it is impossible to have such a mass with the same coupling |gl|. Therefore we conclude that the phenomenology does not favor such a light A₁⁰, even though a small window is still open.     

Breit夸克势的不同次正规化与ηc-J/ψ等的质量劈裂

用夸克势模型研究结构相同而自旋和轨道量子数不同的介子之间质量劈裂是检验势模型有效性的重要手段之一. 在以往的用各种夸克势模型计算质量劈裂工作中, 当轻介子和重介子一起计算时, π-ρ很容易劈裂, 而η_c-J/ψ等的劈裂都很 难达到实验值. 这里首先用正规化形状因子μ²/(q²+μ²), 对完整的动量空间中的Breit夸克势的第三项实施二次正规化, 除了第一项 库仑势和第七项常数项势, 对其余的项实施一次正规化, 然后用来计算 质量劈裂. 研究计算发现, 只有当屏蔽质量μ取为关于 折合质量μ_r=m_r m_j/(m_r+m_j) 的三阶多项式时, 轻介子π-ρ和重介子η_c-J/ψ, η_b-Υ(1s), 还有χ_c0-χ_c1-χ_c2 等的劈裂 精确达到实验值, 同时其他介子质量也都比以往得到较大的改善. 因此, 本文给出了一个有效的夸克势模型.     

用正电子湮没研究纳米碲化铋的缺陷及其对热导率的影响

利用水热法合成了Bi₂Te₃纳米粉末, 并在300–500 ℃的温度范围内对其进行等离子烧结. X射线衍射测试表明制得的Bi₂Te₃粉末是单相的. 对于300–500 ℃范围内烧结的样品, 扫描电子显微镜观察发现随着烧结温度的升高样品颗粒明显增大, 但是根据X射线衍射峰的宽度计算得到的样品晶粒大小并没有明显的变化. 正电子湮没寿命测试结果表明, 所有的样品中均存在空位型缺陷, 而这些缺陷很可能存在于晶界处. 正电子平均寿命随着烧结温度的升高而单调下降, 说明较高的烧结温度导致了空位型缺陷浓度的降低. 另外, 随着烧结温度从300 ℃升高到500 ℃, 样品的热导率从0.3 W·m^-1·K^-1升高到了2.4 W·m^-1·K^-1, 这表明在纳米Bi₂Te₃中, 空位型缺陷和热导率之间存在着密切的联系.     

Ca2+掺杂对CdO多晶热电性能的影响

以CaCO₃作为Ca²⁺源, 利用传统固相烧结法制备了Cd_1-xCa_xO (x=0, 0.01, 0.03, 0.05) 多晶块体样品并研究了Ca²⁺掺杂对CdO高温热电性能的影响. CaCO₃的掺入会导致CdO多晶载流子浓度降低, 使Cd_1-xCa_xO的电阻率ρ和塞贝克系数的绝对值|S|增大、电子热导率κ_e减小. 同时, 在CdO中掺入CaCO₃会引入点缺陷和气孔并可抑制CdO晶粒长大、晶界增多, 从而增加了对声子的散射, 使样品的声子热导率κ_p减小. 由于总热导率的大幅降低, Cd_0.99Ca_0.01O多晶样品在1000 K时的热电优值ZT可达0.42, 比本征CdO提高了约27%, 为迄今n型氧化物热电材料报道的最好结果之一.     

坐标空间中构造的Breit夸克势与介子和夸克偶素的质量劈裂

构造夸克间的有效的相互作用势函数是强子物理中的重要研究课题,也是学科前沿问题之一.本文对坐标空间中的Breit夸克势函数的完整形式实施消除奇异因子的替代方法,构造出一个有效的夸克势.除了第一项库仑势和第七项常数项势,对其他的项都需进行重新构造,即对第二项和第四项做δ(r)→μ~3e~(-μr)/8π替代,对第三项做1/r→(1-e-μr)/r替代,对第五项和第六项做1/r~3→1-(1+μr)e~(-μr)/r~3替代,由此重新构造出新的势函数,然后用来计算质量劈裂,检验构造势的有效性.为此计算了一组含重介子和夸克偶素的质量劈裂.计算中屏蔽质量μ不是简单的常数,而是取与夸克质量m_i,m_j有关的变量.研究计算发现,只有当屏蔽质量μ取为关于夸克平均质量μ_a=(m_i+m_j)/2的洛朗级数形式μ=c_(-3)(μ_a+0.512)-3+c_(-2)(μ_a+0.512)~(-2)+c_(-1)(μ_a+0.512)~(-1)+c_0+c_1(μ_a+0.512)时重介子η_c-J/ψ,η_b-Υ(1s),还有χ_(c0)-χ_(c1)-χ_(c2)等的夸克偶素之间质量劈裂精确达到实验值,同时其他介子尤其是6个D介子质量精度都比以往得到较大幅度的改善.因此,本文构造出一个有效的夸克势模型.     

Anomalous low-temperature heat capacity in antiperovskite compounds

The low-temperature heat capacities are studied for antiperovskite compounds AX M_3(A = Al, Ga, Cu, Ag, Sn, X = C,N, M = Mn, Fe, Co). A large peak in(C- γ T)/T~3 versus T is observed for each of a total of 18 compounds investigated,indicating an existence of low-energy phonon mode unexpected by Debye T~3 law. Such a peak is insensitive to the external magnetic field up to 80 k Oe(1 Oe = 79.5775 A·m-1). For compounds with smaller lattice constant, the peak shifts towards higher temperatures with a reduction of peak height. This abnormal peak in(C- γ T)/T~3 versus T of antiperovskite compound may result from the strongly dispersive acoustic branch due to the heavier A atoms and the optical-like mode from the dynamic rotation of X M_6 octahedron. Such a low-energy phonon mode may not contribute negatively to the normal thermal expansion in AX M_3 compounds, while it is usually concomitant with negative thermal expansion in open-structure material(e.g., ZrW_2O_8, Sc F_3).