Cd掺杂p型Ge基Ba8Ga16CdxGe30-x Ⅰ型笼合物的结构及热电特性

以Cd作为掺杂元素,用熔融法结合放电等离子体烧结（SPS）技术制备了具有不同Cd含量的Ba₈Ga₁₆Cd_xGe_30-x（x=0.95, 1.00, 1.05, 1.10） Ⅰ型笼合物,研究了Cd掺杂对其结构及热电性能的影响.Rietveld结构解析表明所制备的Ba₈Ga₁₆Cd_xGe_{30- 关键词： p型笼合物 结构 热电性能}     

Zn掺杂P型Ba8Ga16ZnxGe30-x笼合物的合成及热电性能

用熔融法结合放电等离子烧结方法合成了Zn掺杂单相p型Ge基Ⅰ型笼合物Ba8Ga16ZnxGe30-x(x=3,4,5,6),探索Zn取代Ge对其热电性能的影响规律,结果表明:所制备的Ba8Ga16ZnxGe30-x化合物为p型传导,随Zn取代量x的增加,化合物室温载流子浓度Np逐渐增加,室温载流子迁移率μH和电导率逐渐降低.在所有试样中,Ba8Ga16Zn3Ge27化合物的Seebeck系数α在300—870K内始终最大,温度为300K时Seebeck系数为234μV/K,在700K附近达295μV/K.化合物的热导率随Zn取代量x的增加而降低.Ba8Ga16Zn3Ge27化合物在806K最大ZT值达0.38.     

Ⅰ型锗基笼合物Ba8Ga16-xSbxGe30的合成及热电性能

用高温熔融结合放电等离子烧结(SPS)方法合成了Sb掺杂的单相n型Ba8Ga16-xSbxGe30化合物,探索了Sb对Ga的取代对其热电性能的影响规律.研究结果表明随着Sb取代分数x的增加,Seebeck系数逐渐降低,Seebeck系数峰值对应的温度向低温方向偏移.电导率随着x的增加先增大后减小,当x=2时达到最大值.Sb取代Ga后对化合物的热性能有较大影响,其热导率和晶格热导率都有不同程度的降低.在所有n型Ba8Ga16-xSbxGe30化合物中,Ba8Ga14Sb2Ge30化合物的ZT值最大,在950 K左右其最大ZT值达1.1.     

I型锗基笼合物Ba8Ga16-xSbxGe30的合成及热电性能

用高温熔融结合放电等离子烧结（SPS）方法合成了Sb掺杂的单相n型Ba8Ga16-xSbxGe30化合物，探索了Sb对Ga的取代对其热电性能的影响规律．研究结果表明：随着Sb取代分数x的增加，Seebeck系数逐渐降低，Seebeck系数峰值对应的温度向低温方向偏移．电导率随着x的增加先增大后减小，当x=2时达到最大值．Sb取代Ga后对化合物的热性能有较大影响，其热导率和晶格热导率都有不同程度的降低．在所有n型Ba8Ga16-xSbxGe30化合物中，Ba8Ga14Sb2Ge30化合物的ZT值最大，在950K左右其最大ZY值达1．1．     

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     

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Ba8Ga16 xGexSn30(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.     

熔体旋甩工艺对Zn掺杂Ⅰ-型Ba8Ga12Zn2Ge32笼合物微结构及热电性能的影响

采用新颖的熔体旋甩(MS)结合放电等离子烧结(SPS)技术制备了单相Zn掺杂的I-型Ba8Ga12Zn2Ge32笼合物,研究了熔体旋甩工艺对其微结构以及热电性能的影响.结果表明,MS得到的薄带自由面主要由300 nm-1 μm的小立方体单晶组成,薄带经SPS烧结后得到了具有大量层状精细结构的致密块体.与熔融+SPS工艺制备的试样相比,熔融+MS+SPS制备的Ba8Ga12Zn2Ge3笼合物室温载流子浓度增加而迁移率降低,在测试温度范围内,试样的电导率略有下降,Seebeck系数增加,热导率和晶格热导率显著降低,900 K时其晶格热导率从1.06 W/mK降低至0.42W/mK.熔融+MS+SPS制备的Ba8Ca12Zn2Ge32笼合物试样在900 K时其最大ZT值达到0.90,与熔融+SPS试样相比提高了75%.     

Zn掺杂p型Ba8Ga16ZnxGe30－x笼合物的合成及热电性能

用熔融法结合放电等离子烧结方法合成了Zn掺杂单相p型Ge基Ⅰ型笼合物Ba₈Ga₁₆Zn_xGe_30-x(x=3, 4, 5, 6)，探索Zn取代Ge对其热电性能的影响规律，结果表明：所制备的Ba₈Ga₁₆Zn_xGe_30-x化合物为p型传导，随Zn取代量x关键词： p型笼合物 合成 热电性能     

Yb/Sr双原子复合填充的Ⅰ-型Yb_x Sr_(8-x)Ga_(16)Ge_(30)笼合物的合成及热电性能

用熔融法结合放电等离子烧结(SPS)合成了Yb/Sr双原子复合填充的n型Yb_x Sr_(8-x)Ga_(16)Ge_(30)(x=0,0.5,1.0,1.5)笼合物,研究了双原子复合填充及Yb填充量x对Yb_x Sr_(8-x)Ga_(16)Ge_(30)笼合物热电传输特性的影响规律.结果表明,Yb在Yb_x Sr_(8-x)Ga_(16)Ge_(30)化合物中的固溶极限介于1.0-1.5之间.随着Yb填充量x的增加,化合物的室温载流子浓度增加而迁移率降低.在300-800 K温度范围内,随着x的增加,双原子填充试样的电导率逐渐增大,Seebeck系数逐渐减小,其中x=0.5的试样与单原子填充的Sr_8Ga_(16)Ge_(30)试样相比,电导率变化不大,Seebeck系数显著增加.Yb/Sr双原子复合填充比Sr单原子填充更有利于晶格热导率的降低,且晶格热导率随着Yb填充量x的增加逐渐降低.在所有n型Yb_x Sr_(8-x)Ga_(16)Ge_(30)化合物中Yb_(1.0) Sr_(7.0)Ga_(16)Ge_(30)化合物的ZT值最大,在800 K时其最大ZT值达0.81,与单原子填充的Sr_8Ga_(16)Ge_(30)化合物相比ZT值提高了35%.

Abstract：

n-type Yb/Sr double-atom-filled Yb_xSr_(8-x)Ga_(16)Ge_(30) (x = 0, 0.5, 1.0, 1.5) elathrates have been synthesized by combining melting reaction with the spark plasma sintering (SPS) method. The effects of double-atom fining on thermoelectric properties have been investigated. The results show that the solubility limit of Yb in the Sr-Ga-Ge system is between 1.0 and 1.5 when it is expressed by the formula of Yb_xSr_(8-x)Ga_(16)Ge_(30). With increasing Yb content x, the room-temperature carrier concentration of the Yb_xSr_(8-x)Ga_(16)Ge_(30) samples increases, while the room-temperature carrier mobility decreases. For the double-atom-filled samples, the electrical conductivity raises with increasing x, while the Seebeck coefficient reduces, and in which the x = 0.5 sample has a comparable electrical conductivity and a remarkably higher $eebeck coefficient compared with the single-atom-filled Sr_8Ga_(16)Ge_(30) sample in the temperature range of 300-800 K. The double-atom filling of Yb/Sr has significant influence on the lattice thermal conductivity of the Yb_xSr_(8-x)Ga_(16)Ge_(30) samples and the lattice thermal conductivity decreases gradually with increasing x. Of all the Yb_xSr_(8-x)Ga_(16)Ge_(30) samples, the maximum dimensionless figure of merit ZT of 0.81 is obtained at 800 K for the Yb_(1.0)Sr_(7.0)Ga_(16)Ge_(30) sample. Compared with that of single-atom-filled Sr_(8-x)Ga_(16)Ge_(30) sample, it is 35% higher at the same temperature.     

Zn掺杂n型笼合物Ba8Ga16-2xZnxGe30+x的热电传输特性

用高温熔融结合放电等离子烧结法制备了Zn掺杂单相n型Ba8Ga16-2xZnxGe30 x笼合物,探索了Zn对Ga的取代对其热电传输特性的影响规律.研究结果表明,n型Ba8Ga16-2xZnxGe30 x化合物的电导率随着x的增加逐渐增大,Seebeck系数随着x的增加而逐渐减小.当Zn完全取代Ga时,Ba8Zn8Ge38化合物的电导率反而急剧下降,Seebeck系数显著增大.Ba8Ga16-2xZnxGe30 x化合物的载流子迁移率随着温度的升高而降低,当Zn掺杂后,化合物的载流子迁移率有一定的增加,随着x的增加而逐渐增大.Ba8Ga16-2xZnxGe30 x化合物的热导率和晶格热导率变化规律类似,随着x的增加先减小后增大.在所有n型Ba8Ga16-2xZnxGe30 x笼合物中,Ba8Ga8Zn4Ge34化合物的ZT值最大,在1000 K时其最大ZT值达0.85.     

Zn掺杂n型笼合物Ba8Ga16-2xZnxGe30+x的热电传输特性

用高温熔融结合放电等离子烧结法制备了Zn掺杂单相n型Ba₈Ga_16-2xZn_xGe_30+x笼合物,探索了Zn对Ga的取代对其热电传输特性的影响规律.研究结果表明,n型Ba₈Ga_16-2xZn_xGe_30+x化合物的电导率随着x的增加逐渐增 关键词： 热电传输性能 n型笼合物 框架取代     

Zn掺杂n型笼合物Ba8Ga16-2xZnxGe30+x的热电传输特性

用高温熔融结合放电等离子烧结法制备了Zn掺杂单相n型Ba₈Ga_16-2xZn_xGe_30+x笼合物，探索了Zn对Ga的取代对其热电传输特性的影响规律.研究结果表明,n型Ba₈Ga_16-2xZn_xGe_30+x化合物的电导率随着x的增加逐渐增     

Mg掺杂n型Sn基Ⅷ型单晶笼合物的结构及电传输特性

本文采用Sn自熔剂法,制备Mg掺杂Sn基单晶笼合物Ba₈Ga_16-XMg_XSn₃₀ （0 ≤ X ≤ 1.5）,并对其结构及电传输性能进行研究. 结果表明所制备化合物为具有空间群I43 m的Ⅷ型单晶笼合物,随Mg掺杂量的增加,对应化合物的熔点略有升高,晶格常数减小,掺杂样品中填充原子Ba的实际含量低于理想值8.0,其在十二面体空洞中的占有率约为0.93（Mg的名义含量X=1.5时）. 所有样品均表现为n型传导,Mg的掺入对材料的能带结构有一定影响,Mg掺杂后,样品的载流子浓度降低,Seebeck系数的绝对值、电阻率增加,Mg的名义含量X=1.5时,样品的功率因子在430 K附近取得最大值1.26×10^-3 W·m^-1·K^-2. 关键词： Ⅷ型笼合物 n型传导 单晶     

Mg掺杂n型Sn基VIII型单晶笼合物的结构及电传输特性

本文采用Sn自熔剂法,制备Mg掺杂Sn基单晶笼合物Ba8Ga16-XMgXSn30(0 X 1.5),并对其结构及电传输性能进行研究.结果表明所制备化合物为具有空间群Iˉ43m的VIII型单晶笼合物,随Mg掺杂量的增加,对应化合物的熔点略有升高,晶格常数减小,掺杂样品中填充原子Ba的实际含量低于理想值8.0,其在十二面体空洞中的占有率约为0.93(Mg的名义含量X=1.5时).所有样品均表现为n型传导,Mg的掺入对材料的能带结构有一定影响,Mg掺杂后,样品的载流子浓度降低,Seebeck系数的绝对值、电阻率增加,Mg的名义含量X=1.5时,样品的功率因子在430 K附近取得最大值1.26×10-3W·m-1·K-2.     

熔体旋甩工艺对Zn掺杂Ⅰ-型Ba8Ga12Zn2Ge32笼合物微结构及热电性能的影响

采用新颖的熔体旋甩(MS)结合放电等离子烧结(SPS)技术制备了单相Zn掺杂的Ⅰ-型Ba₈Ga₁₂Zn₂Ge₃₂笼合物,研究了熔体旋甩工艺对其微结构以及热电性能的影响. 结果表明,MS得到的薄带自由面主要由300nm—1μm的小立方体单晶组成,薄带经SPS烧结后得到了具有大量层状精细结构的致密块体. 与熔融+SPS工艺制备的试样相比,熔融+MS+SPS制备的Ba₈Ga₁₂Zn 关键词： 熔体旋甩 Ⅰ-型笼合物 热电性能     

Yb/Sr双原子复合填充的I-型YbxSr8－xGa16Ge30笼合物的合成及热电性能

用熔融法结合放电等离子烧结（SPS）合成了Yb/Sr双原子复合填充的n型Yb_xSr_8-xGa₁₆Ge₃₀（x=0,05,10,15）笼合物,研究了双原子复合填充及Yb填充量x对Yb_xSr_8-xGa₁₆Ge₃₀笼合物热电传输特性的影响规律.结果表 关键词： Ⅰ-型笼合物 双原子填充 热电性能     

Ba8Ga16Si30与Sr8Ga16Ge30电子特性和热性质的研究

采用基于密度泛函理论和平面波赝势技术的CASTEP程序计算了笼状化合物Ba8Ga16Si30与Sr8Ga16Ge30的电子结构,并以此为基础进一步研究了它们的热性质。态密度和布居分析显示,Ba8Ga16Si30中笼上原子间成键趋于共价性,Sr8Ga16Ge30中笼上原子间成键趋于离子性,可以认为Ba8Ga16Si30的稳定性比Sr8Ga16Ge30强。带结构显示Ba8Ga16Si30与Sr8Ga16Ge30均为金属。热性质研究中提出一个新的模型,模型中认为Ba8Ga16Si30的笼内Ba原子和笼上Ga原子做爱因斯坦振荡,笼上Si原子做德拜运动,这种模型能够更好地描述Ba8Ga16Si30的热导。     

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     

Cd:O共掺杂AlN的电子结构和p型特性研究

为研究Cd：O共掺杂纤锌矿AlN的p型特性,进而揭示导致纤锌矿AlN空穴浓度增加的机理,对Cd：O共掺杂AlN进行了基于密度泛函理论的第一性原理研究.通过计算Cd_n-O（n=1,2,3,4）复合体掺杂AlN的结合能,发现Cd：O在AlN中可以稳定存在,共掺杂提高了Cd在AlN中的固溶度.分析Cd和Cd₂-O掺杂AlN体系的激活能,发现Cd₂-O的激活能比Cd减小0.21 eV,表明Cd₂-O的空穴浓度比单掺Cd大约提高 关键词： Cd：O共掺杂 纤锌矿AlN 电子结构 p型掺杂特性     

纤锌矿结构ZnO中定位Ga-N共掺杂对p型掺杂效率的影响

采用第一性原理和密度泛函理论的方法,计算未掺杂、N单掺杂和Ga-N共掺杂纤锌矿结构ZnO的总能、电荷密度和能带结构.总能计算表明,Ga原子的共掺杂使总能极大地降低,从而显著提高杂质N原子在ZnO中的稳定性.电荷密度分布显示,总能的降低主要是Ga-N共掺杂后Ga原子的3d态和N原子的2p态电子之间的强杂化相互作用所致.特别是在Ga原子的负电荷和N原子的正电荷沿c轴排成一线的共掺杂构型中,较大的局域极化场的变化引起价带顶向禁带中的大分裂,降低了N受主的激活能,将空穴的浓度提高了三个量级,有效地提高p型掺杂效率.