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.     

掺杂半导体β-FeSi2电子结构及几何结构第一性原理研究

采用基于第一性原理的密度泛函理论全势线性缀加平面波法，使用广义梯度近似处理交换相关势能，首先计算了β-FeSi₂的电子结构及其各元素各亚层电子的能态密度，β-FeSi₂的电子能态密度主要由Fe的d层电子和Si的p层电子的能态密度确定；其次通过计算不同掺杂系统的总能量确定了掺杂原子在β-FeSi₂中的置换位置，在β-FeSi₂中，Co置换Fe_Ⅱ位置的Fe原子，Al置换Si_Ⅰ位置的Si原子，这种择位置换与现有的计算结果完全一致；最后计算了Fe_1-xCo_xSi₂和Fe(Si_1-xAl_x)₂的电子结构，对它们的电子结构特征进行了分析，并探讨了电子结构对其热电性能(塞贝克系数、电传输及热传输性能)的影响. 关键词： 第一性原理 电子结构 热电性能 2')" href="#">FeSi₂     

铜掺杂Cu2SnSe4的热电输运性能

Cu₂SnSe₄化合物具有本征的低热导率和可调控的电导率,同时不含稀贵元素、无毒和价格低廉,具有作为中温区热电材料的潜力.本文通过高能球磨结合放电等离子烧结制备了Cu₂SnSe₄以及Cu掺杂的Cu_2+xSnSe4块体材料(0.2≤z≤1).研究了Cu掺杂填充Cu/Sn位置上1/4本征空位对Cu_2+xSnSe₄热电性能的影响,发现Cu/Sn中1/4空位能够被Cu完全填满(x=1),且Cu掺杂能够大幅度地提升(可达两个数量级)样品的电导率,从而显著提高了功率因子.同时,发现在大Cu掺杂量范围(0.1≤x≤0.8)内,Cu_2+xSnSe4电导率增长与掺杂量增加呈线性关系,且载流子迁移率随Cu掺杂量的增加而增加.进一步的研究发现,载流子在Cu_2+xSnSe₄中的电输运行为遵循电子-声子耦合的小极化子模型.     

LixNayCoO2的制备和热电性质

用固相反应方法，成功地合成了具有交互生长结构的Li_xNa_yCoO₂单相多晶系列样品. 热电势测量表明，该系统的室温热电势比Na_xCoO₂体系约高出60μV/K. 基于空穴载流子具有O2p特征，提出Li_xNa_yCoO₂中额外的热电势来源于氧空穴的占位熵. 关键词： xNa_yCoO₂')" href="#">Li_xNa_yCoO₂ 热电势 热电材料     

纳米SiO2复合对Mg3Sb2基材料热电性能的影响

Mg₃(Sb,Bi)2基热电材料由于其优异的热电性能和较低的成本近来受到广泛的关注.本研究通过将纳米SiO₂复合进成分为Mg_3.275Mn_0.025Sb_1.49Bi_0.5Te_0.01的基体相中,考察其热电输运性能的变化及机制.结果表明,当SiO₂复合进Mg₃Sb₂基材料中时,由于引进大量的微小晶界,能有效地散射声子,促使晶格热导率降低,优化热输运性能,如SiO₂体积含量为0.54%时,室温时热导率由复合前的1.24 W/(m·K)降至1.04 W/(m·K),降幅达到15%;同时其对电子也产生强烈的散射作用,导致迁移率和电导率大幅下滑,结果表现为近室温区功率因子剧烈衰减,恶化了电输运性能.电性能相对于热性能较大降低幅度使得材料在整个测试温区的热电优值没有得到改善.纳米SiO₂作为Mg₃Sb₂     

缺陷黄铜矿结构Xga2S4 (X=Zn,Cd, Hg)晶体电子结构和光学性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理超软赝势方法对缺陷黄铜矿结构XGa₂S₄ (X=Zn, Cd, Hg)晶体的晶格结构、电学以及光学性质进行了对比研究. 分析比较了它们的晶格常数、键长、能带结构、态密度、介电函数、折射率和反射系数等性质, 并总结其变化趋势. 结果表明: 这三种材料的光学性质在中间能量区域(4 eV–10 eV)表现出较强的各向异性, 而在低能区域(<4 eV)和高能区域(>10 eV)各向异性较弱. ZnGa₂S₄和HgGa₂S₄两种材料的折射率曲线在等离子体频率ω_p处有一明显的拐点, 反射系数在ω_p处达到最大值后急剧下降. 三种晶体的强反射峰均处于紫外区域, 因此可以用作紫外光屏蔽或紫外探测材料. 关键词： 缺陷黄铜矿结构 电子结构 光学性质 第一性原理计算     

Sr2RuO4的热电势

Sr2RuO4是第一个无CuO面的层状强关联氧化物超导体.测量了9至260K温度范围内Sr2RuO4的热电势,观测到在此温度范围内其热电势为正值.用两种载流子模型对实验数据进行了拟合,并且与Hall系数的实验结果进行了比较,发现低温下两种载流子对热电势和Hall系数的贡献比较类似,但在高温区空穴对热电势的贡献很大而相应地对Hall系数的贡献不占主要地位. 关键词： Sr2RuO4 热电势     

Zn掺杂La2CuO4热电势和磁化率研究

测量了La2CuO4掺Zn样品在不同降温速率下(330K保温05h,然后分别以6Kh,02Ks的速度降到8K)的直流磁化率和热电势.实验结果表明,反铁磁温度TN不随降温速率变化而变化,其直流磁化率也未受很大影响.高温热电势弱的温度依赖关系表明为极化子气体的贡献.热电势在转折温度Tdrop之下的快速降低是由于二维反铁磁涨落的贡献.热电势在更低温度的拐点TS与载流子的局域化有关.降温速率变化时,Tdrop和TS都有明显的变化.Zn掺杂对Tdrop和TS没有明显影响,但导致了更强的载流子局域化.讨论了上述现象产生的物理图像 关键词： La2CuO4 直流磁化率 热电势     

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.     

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     

Effects of Mn substitution on thermoelectric properties of CuIn_(1-x)Mn_xTe_2

CuIn_(1-x)Mn_xTe_2 samples have been synthesized by a melt-annealing method. The x-ray powder diffraction(XRD)analysis shows that the CuIn_(1-x)Mn_xTe_2 samples crystallize in the chalcopyrite phase. Mn doping can effectively optimize the electrical properties and accordingly improve the power factor. The room temperature electrical conductivity of doped CuInTe_2 increases by several orders of magnitude due to substituting In with Mn. In addition, a large reduction in thermal conductivity is achieved through the enhanced phonon scattering via Mn-related point defects and precipitates. Therefore,an enhanced average ZT value up to 0.34 is achieved for sample CuIn_(0.925)Mn_(0.075)Te_2, which is 41% higher than that of the pristine CuInTe_2.     

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.     

制备工艺对p型碲化铋基合金热电性能的影响

利用区熔法、机械合金化、放电等离子烧结(SPS)技术、热压法等多种工艺制备了p型碲化铋基热电材料.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)，研究了制备工艺对热电性能的影响.结果表明，所制备的块体材料与同组成区熔晶体相比，性能优值ZT均有不同程度的提高.其中，利用区熔法结合SPS技术可获得热电性能最佳的块体材料，其ZT值达1.15. 关键词： 碲化铋 放电等离子烧结 区熔法 热电性能     

Ga掺杂对Cu_3SbSe_4热电性能的影响

采用熔融-淬火方法制备了Cu_(2.95)Ga_xSb_(1-x)Se_4(x=0,0.01,0.02和0.04)样品,系统地研究了Ga在Sb位掺杂对Cu_3SbSe_4热电性能的影响.研究结果表明,少量的Ga掺杂(x=0.01)可以有效提高空穴浓度,抑制本征激发,改善样品的电输运性能.掺Ga样品在625 K时功率因子达到最大值10μW/cm·K~2,比未掺Ga的Cu_(2.95)SbSe_4样品提高了约一倍.但是随着Ga掺杂浓度的进一步提高,缺陷对载流子的散射增强,同时载流子有效质量增大,导致载流子迁移率急剧下降.因此Ga含量增加反而使样品的电性能恶化.在热输运方面,Ga掺杂可以有效降低双极扩散对热导率的贡献,同时掺杂引入的点缺陷对高频声子有较强的散射作用,因此高温区的热导率明显降低.最终该体系在664 K时获得最大ZT值0.53,比未掺Ga的样品提高了近50%.     

Cu掺杂AgSbTe2化合物的相稳定、晶体结构及热电性能

利用熔融快淬结合放电等离子烧结(SPS), 制备了Cu_xAg_1-xSbTe₂(x= 0---0.3)样品. 粉末X射线衍射(XRD)分析结果显示, SPS处理以前, 含Cu样品形成NaCl型结构的固溶体, 而未加入Cu的样品析出Ag₂Te第二相. 根据热分析和XRD测量结果, Cu的加入能够有效抑制Ag₂Te的析出, 但同时会在快淬样品中产生少量非晶相. 在温度升高到540 K左右时, 非晶相发生晶化, 形成Sb₇Te亚稳相, 并最终转变成Sb₂Te₃稳定相. 对快淬样品进行低温SPS快速处理后, x =0.1样品为面心立方结构的单相化合物, 但是x =0.2, 0.3的样品分别析出第二相Sb₇Te和Sb₂Te₃. 由于析出第二相, x=0.2, 0.3样品的电导率增大, Seebeck系数减小, 热导率相应升高, 综合热电性能降低. x=0.1单相样品的功率因子与文献报道的AgSbTe₂化合物相当. 元素替代的合金化效应 增强了Cu_0.1Ag_0.9SbTe₂化合物的声子散射, 有效降低了样品的热导率. 因此, 单相样品Cu_0.1Ag_0.9SbTe₂表现出较佳的热电性能, 在620 K时热电优值达到1.     

Effect of nanocomposite structure on the thermoelectric properties of 0.7-at% Bi-doped Mg2Si nanocomposite

Nanocomposites offer a promising approach to the incorporation of nanostructured constituents into bulk thermoelectric materials. The 0.7-at% Bi-doped Mg₂Si nanocomposites are prepared by spark plasma sintering of the mixture of nanoscale and microsized 0.7-at% Bi-doped Mg₂Si powders. Microstructure analysis shows that the bulk material is composed of nano- and micrograins. Although the nanograin hinders electrical conduction, the nanocomposite structure is more helpful to reduce thermal conductivity and increase the Seebeck coefficient, hence improving thermoelectric performance. A dimensionless figure of merit of 0.8 is obtained for the 0.7-at% Bi-doped Mg₂Si nanocomposite with 50-wt % nanopowder, which is about twice larger than that of the sample without nanopowder.     

硒化亚铜薄膜热电性能研究进展

热电材料可以实现热能和电能的相互转换,它是一种环境友好的功能性材料.当前,热电材料的热电转换效率低,这严重制约了热电器件的大规模应用,因此寻找更加优异热电性能的新材料或提高传统热电材料的热电性能成为热电研究的主题.与块状材料相比,薄膜具有二维的宏观性质和一维的纳米结构特性,方便研究材料的物理机制与性能的关系,还适用于制...