Se替代Te对BiCuTeO电热输运性能的影响

层状氧硫族化合物由于其本征的低晶格热导率和可观的热电性能吸引了广泛关注,其中以BiCuSeO化合物的热电性能最为优异.但是,其同晶型化合物BiCuTeO,由于带隙较小且存在大量本征Cu空位,导致载流子浓度较高,热电性能较差,从而研究较少.针对BiCuTeO存在的上述问题,本文利用Se替代部分Te,以期能够展宽带隙并减少Cu空位,提高其热电性能.采用固相反应结合快速热压烧结制备了BiCuTe_(1-x)Se_xO(x=0, 0.1, 0.2, 0.3和0.4)块体热电材料,并系统地研究了该体系的电热输运性能.研究结果表明,利用Se替代Te,可以使BiCuTeO导电层化学键强度增加、带隙增大、载流子有效质量增加以及载流子散射增强,从而导致载流子浓度和迁移率同时降低,进而电导率随着Se含量增加而剧烈降低, Seebeck系数则显著增大.由于综合电输运性能恶化,功率因子随着Se含量增加而减小,导致热电优值zT随着Se含量增加而降低.最终,Se含量为x=0.1的样品,在室温和723 K时的zT值分别达到约0.3和0.7,仍然在较宽温区内保持较高的zT值.由于Se替代Te改变了BiCuTeO的能带结构,通过载流子浓度优化,有望进一步提高其热电性能.     

Sn1-xGexTe的高温高压合成及热电性能

在众多热电材料中,SnTe具有与PbTe相同的晶体结构且不含重金属Pb,近年来引起了人们的广泛关注。目前,本征SnTe的热电性能并不特别优异,存在以下问题:大量本征Sn空位导致载流子浓度过高,从而降低了电输运性能;价带中的轻带与重带能量劈裂较大,且带隙过窄,不利于通过重带参与电运输提高Seebeck系数;晶格热导率较大。利用高温高压方法快速合成了Ge掺杂的SnTe合金,系统研究了不同Ge含量对SnTe的微观结构和热电性能的影响。结果表明:Ge掺杂能够有效地调控SnTe材料的电运输性能;Ge掺杂使样品的微观结构发生变化,样品晶粒细化,且析出纳米第二相,晶界和纳米相对声子的散射作用降低了热导率;样品Ge_0.2Sn_0.8Te在700 K时的热电优值达到0.35。     

直接带隙Ge$lt;sub$gt;1-$lt;em$gt;x$lt;/em$gt;$lt;/sub$gt;Sn$lt;sub$gt;$lt;em$gt;x$lt;/em$gt;$lt;/sub$gt;本征载流子浓度研究

通过合金化改性技术, Ge可由间接带隙半导体转变为直接带隙半导体. 改性后的Ge半导体可同时应用于光子器件和电子器件, 极具发展潜力. 基于直接带隙Ge_1-xSn_x半导体合金8带Kronig-Penny模型, 重点研究了其导带有效状态密度、价带有效状态密度及本征载流子浓度, 旨在为直接带隙改性Ge半导体物理的理解及相关器件的研究设计提供有价值的参考. 研究结果表明: 直接带隙Ge_1-xSn_x合金导带有效状态密度随着Sn组分x的增加而明显减小, 价带有效状态密度几乎不随Sn组分变化. 与体Ge半导体相比, 直接带隙Ge_1-xSn_x合金导带有效状态密度、价带有效状态密度分别低两个和一个数量级; 直接带隙Ge_1-xSn_x合金本征载流子浓度随着Sn组分的增加而增加, 比体Ge半导体高一个数量级以上. 关键词： 1-xSn_x')" href="#">Ge_1-xSn_x 直接带隙 本征载流子浓度     

直接带隙Ge_(1-x)Sn_x本征载流子浓度研究

通过合金化改性技术,Ge可由间接带隙半导体转变为直接带隙半导体.改性后的Ge半导体可同时应用于光子器件和电子器件,极具发展潜力.基于直接带隙Ge1-x Sn x半导体合金8带Kronig-Penny模型,重点研究了其导带有效状态密度、价带有效状态密度及本征载流子浓度,旨在为直接带隙改性Ge半导体物理的理解及相关器件的研究设计提供有价值的参考.研究结果表明:直接带隙Ge1-x Sn x合金导带有效状态密度随着Sn组分x的增加而明显减小,价带有效状态密度几乎不随Sn组分变化.与体Ge半导体相比,直接带隙Ge1-x Sn x合金导带有效状态密度、价带有效状态密度分别低两个和一个数量级;直接带隙Ge1-x Sn x合金本征载流子浓度随着Sn组分的增加而增加,比体Ge半导体高一个数量级以上.     

MnTe单晶薄膜的外延制备、本征点缺陷结构及电输运优化

砷化镍型MnTe化合物是一类重要的环境友好p型中温热电材料.低空穴浓度是制约MnTe热电材料性能优化的关键因素,目前对于MnTe热电材料的性能优化缺乏系统的实验研究.本文采用分子束外延技术制备MnTe薄膜,并用扫描隧道显微镜表征其本征点缺陷,最终通过本征点缺陷的调控实现了MnTe的电输运性能大幅优化.结果表明, Mn空位(V_Mn)和Te空位(V_Te)是MnTe薄膜的主要本征点缺陷结构.随着薄膜生长温度(T_sub)的提高或Mn∶Te束流比的降低, MnTe薄膜的空穴浓度得到了大幅提升,最高空穴浓度可达21.5×1019 cm–3,比本征MnTe块体获得的数值高一个数量级.这归因于MnTe薄膜中p型V_Mn浓度的显著增加,并引起电导率和功率因子的显著提升.最后,在T_sub=280℃以及Mn∶Te=1∶12条件下生长的MnTe薄膜获得了所有样品中最高的热电功率因子,在483 K达到1.3μW·cm^–1·K^–2.本研究阐明了MnTe中存在的本征...     

Mg、Ge、Te、Zn掺杂LiFePO4电子结构的第一性原理计算

本文采用第一性原理研究了Mg、Ge、Te、Zn掺杂的LiFePO4的能带结构、总态密度以及分态密度. 研究结果显示：Mg、Ge、Te、Zn掺杂的LiFePO4的带隙低于本征体系,有利于电子的跃迁.本征LiFePO4的能带与掺Mg、Ge、Te、Zn体系带隙之差分别为0.04 eV,0.263eV,0.691eV,1.251eV, 说明掺杂Mg、Ge、Te、Zn能够有效的对其能带实现精确调控.在费米能级处,Mg、Ge、Te、Zn掺杂LiFePO4的态密度主要由Fe的d轨道贡献.     

n型Bi2–xSbxTe3–ySey基化合物的缺陷结构调控与电热输运性能

Bi₂Te₃基化合物是目前室温附近性能最好的热电材料,但其存在着大量复杂的缺陷结构,缺陷工程是调控材料热电性能的核心手段,因此理解和有效地调控缺陷形态和浓度是获得高性能Bi₂Te₃基热电材料的关键.本文系统地研究了四元n型Bi_2-xSb_xTe_3-ySe_y基化合物的缺陷演化过程及其对热电输运性能的影响规律.Sb和Se的固溶引入的带电伴生结构缺陷使得材料的载流子浓度发生了巨大变化,在Bi_2-xSb_xTe_2.994Cl_0.006样品中,Sb的固溶降低了反位缺陷Sb_Te2形成能,诱导产生了反位缺陷Sb_Te2,使得少数载流子空穴浓度从2.09×10¹⁶ cm^-3增加至3.99×10¹⁷ cm^-3,严重劣化了...     

Mg、Ge、Te、Zn掺杂LiFePO_4电子结构的第一性原理计算

本文采用第一性原理研究了Mg、Ge、Te、Zn掺杂的LiFePO_4的能带结构、总态密度以及分态密度.研究结果显示:Mg、Ge、Te、Zn掺杂的LiFePO_4的带隙低于本征体系,有利于电子的跃迁.本征LiFePO_4的能带与掺Mg、Ge、Te、Zn体系带隙之差分别为0.04 e V,0.263 e V,0.691 e V,1.251 e V,说明掺杂Mg、Ge、Te、Zn能够有效的对其能带实现精确调控.在费米能级处,Mg、Ge、Te、Zn掺杂LiFePO_4的态密度主要由Fe的d轨道贡献.     

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Ag1-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.     

Ge掺杂n型Sn基Ⅷ型单晶笼合物的制备及热电传输特性

采用Sn自熔剂法制备了具有n型传导的Ⅷ型Ba₈Ga_16-xGe_xSn₃₀ （0 ≤ x ≤ 1.0）单晶笼合物,并对其结构和热电特性进行研究. 研究结果表明：Ge在单晶中的实际含量较少,随着掺杂量的增加样品的晶格常数略有减小,Ge掺杂后样品的载流子浓度较掺杂前低,迁移率增加;所有样品的Seebeck系数均为负值,且绝对值较未掺杂样品低,但Ge掺杂后样品的电导率提高了62%;x=0.5的样品在500 K附近取得最大ZT值1.25. 关键词： Ⅷ型笼合物 n型传导 热电性能     

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.     

Energy band and charge-carrier engineering in skutterudite thermoelectric materials

The binary CoSb₃ skutterudite thermoelectric material has high thermal conductivity due to the covalent bond between Co and Sb, and the thermoelectric figure of merit, ZT, is very low. The thermal conductivity of CoSb₃ materials can be significantly reduced through phonon engineering, such as low-dimensional structure, the introduction of nano second phases, nanointerfaces or nanopores, which greatly improves their ZT values. The phonon engineering can optimize significantly the thermal transport properties of CoSb₃-based materials. However, the improvement of the electronic transport properties is not obvious, or even worse. Energy band and charge-carrier engineering can significantly improve the electronic transport properties of CoSb₃-based materials while optimizing the thermal transport properties. Therefore, the decoupling of thermal and electronic transport properties of CoSb₃-based materials can be realized by energy band and charge-carrier engineering. This review summarizes some methods of optimizing synergistically the electronic and thermal transport properties of CoSb₃ materials through the energy band and charge-carrier engineering strategies. Energy band engineering strategies include band convergence or resonant energy levels caused by doping/filling. The charge-carrier engineering strategy includes the optimization of carrier concentration and mobility caused by doping/filling, forming modulation doped structures or introducing nano second phase. These strategies are effective means to improve performance of thermoelectric materials and provide new research ideas of development of high-efficiency thermoelectric materials.     

Sr掺杂对CaMnO_3基氧化物电子性质及热电输运性能的影响

采用密度泛函理论计算分析的方法研究了Ca位Sr掺杂的CaMnO_3基氧化物的电子性质和电性能;采用柠檬酸溶胶-凝胶法结合陶瓷烧结制备工艺制备了Ca位Sr掺杂的CaMnO_3基氧化物块体试样,分析研究了所得试样的热电传输性能.结果表明,Sr掺杂CaMnO_3氧化物仍然呈间接带隙型能带结构,带隙宽度由0.756 eV减小到0.711 eV.Sr掺杂CaMnO_3氧化物费米能级附近的载流子有效质量均得到调控,载流子浓度也有所增大.Sr比Ca具有更强的释放电子能力,其掺杂在CaMnO_3氧化物中表现为n型.Sr掺杂的CaMnO_3基氧化物材料电阻率大幅度降低,Seebeck系数绝对值较本征CaMnO_3基氧化物材料有一定程度的增大,Sr掺杂量为0.06和0.12的Ca_(1-x)Sr_xMnO_3(x=0.06,0.12)试样,其373 K的电阻率分别降低至本征CaMnO_3基氧化物材料的25%和21%,其373 K的Seebeck系数绝对值分别是本征CaMnO_3基氧化物材料的112.9%和111.1%,Sr掺杂有效提高了CaMnO_3基氧化物材料的热电性能.     

Predicting the Potential Performance in P-Type SnS Crystals via Utilizing the Weighted Mobility and Quality Factor

The figure of merit ZT is the direct embodiment of thermoelectric performance for a given material. However,as an indicator of performance improvement, the only ZT value is not good enough to identify its outstanding inherent properties, which are highly sought in thermoelectric community. Here, we utilize one powerful parameter to reveal the outstanding properties of a given material. The weighted mobility is used to estimate the carrier transports of p-type SnS crystals, including the differences in doping level, carrier scattering and electronic band structure. We analyze the difference in carrier scattering mechanism for different crystal forms with the same doping level, then evaluate and confirm the temperature-dependent evolution of electronic band structures in SnS. Finally, we calculate the quality factor B based on the weighted mobility, and establish the relationship between ZT and B to further predict the potential performance in p-type SnS crystals with low cost and earth abundance, which can be realized through taking advantage of the inherent material property, thus improving Bfactor to achieve optimal thermoelectric level.     

Band engineering and precipitation enhance thermoelectric performance of SnTe with Zn-doping

We have systematically studied the thermoelectric properties in Zn-doped Sn Te.Strikingly,band convergence and embedded precipitates arising from Zn doping,can trigger a prominent improvement of thermoelectric performance.In particular,the value of dimensionless figure of merit z T has increased by 100% and up to ~ 0.5 at 775 K for the optimal sample with 2% Zn content.Present findings demonstrate that carrier concentration and effective mass play crucial roles on the Seebeck coefficient and power factor.The obvious deviation from the Pisarenko line(Seebeck coefficient versus carrier concentration) due to Zn-doping reveals the convergence of valence bands.When the doping concentration exceeds the solubility,precipitates occur and lead to a reduction of lattice thermal conductivity.In addition,bipolar conduction is suppressed,indicating an enlargement of band gap.The Zn-doped Sn Te is shown to be a promising candidate for thermoelectric applications.     

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.     

高压烧结制备Tb掺杂n型(Bi1–xTbx)2(Te0.9Se0.1)3合金及其微结构和热电性能

采用高压烧结技术制备了稀土元素Tb掺杂的n型Bi2Te2.7Se0.3基纳米晶块体热电材料.将高压烧结成型的样品于633 K真空退火36 h.研究了Tb掺杂量对样品的晶体结构和热电性能的影响.结果表明,高压烧结制备的样品为纳米结构, Tb掺杂使样品的晶胞体积变大,功率因子增大,热导率降低,从而使ZT值提高.Tb掺杂量为x=0.004是最优的掺杂量,该掺杂量的高压烧结样品经退火处理后,于373 K时ZT值达到最大为0.99,并且在323-473 K范围内, ZT值均大于0.8,这对用于温差发电领域具有重要意义.     

Advances in thermoelectric (GeTe)x(AgSbTe2)100-x

The (GeTe)_x(AgSbTe₂)_100-x alloys, also called TAGS-x in short, have long been demonstrated as a promising candidate for thermoelectric applications with successful services as the p-type leg in radioisotope thermoelectric generators for space missions. This largely stems from the complex band structure for a superior electronic performance and strong anharmonicity for a low lattice thermal conductivity. Utilization of the proven strategies including carrier concentration optimization, band and defects engineering, an extraordinary thermoelectric figure of merit, zT, has been achieved in TAGS-based alloys. Here, crystal structure, band structure, microstructure, synthesis techniques and thermoelectric transport properties of TAGS-based alloys, as well as successful strategies for manipulating the thermoelectric performance, are surveyed with opportunities for further advancements. These strategies involved are believed to be in principle applicable for advancing many other thermoelectrics.     

具有本征低晶格热导率的硫化银快离子导体的热电性能

硫化银(Ag_2S)是一种典型的快离子导体材料,前期关于Ag_2S的研究主要集中在光电和生物等领域.最近的研究表明, a-Ag_2S具有和金属一样的良好延展性和变形能力.但是, Ag_2S的热电性能尚无公开报道.本工作合成了单相Ag_2S化合物,系统研究了其在300—600 K范围的物相变化、离子迁移特性和电热输运性质.研究发现, Ag_2S在300—600 K温度区间表现出半导体的电输运性质.由于单斜-体心立方相晶体结构转变, Ag_2S的离子电导率、载流子浓度、迁移率、电导率、泽贝克系数等性质在455 K前后出现急剧变化.在550 K, Ag_2S的功率因子最高可达5μW·cm~(–1)·K~(–2). Ag_2S在300—600 K温度区间均表现出本征的低晶格热导率(低于0.6 W·m~(–1)·K~(–1)). S亚晶格中随机分布的类液态Ag离子是导致b-Ag_2S体心立方相具有低晶格热导率的主要原因.在573 K, Ag_2S的热电优值可达0.55,与Ag_2Se, Ag_2Te, CuAgSe等已报道的Ag基快离子导体热电材料的性能相当.