Fe/Bi_(0.5)Sb_(1.5)Te_3热电元件高温稳定性研究（英文）

热电元件的界面高温稳定性是决定热电器件服役性能和应用前景的重要因素,而阻挡层和热电材料之间的界面扩散和界面电阻则是评价热电元件高温稳定性的主要标准。为了进一步提升P型碲化铋热电器件的界面稳定性,本研究采用高通量筛选的方法选定适用于P型碲化铋的Fe阻挡层材料。通过一步烧结的方法制备了Fe/P-BT的热电元件,并系统研究了高温加速老化实验下的Fe/P-BT的界面微观结构的演变和界面电阻率的稳定性。在老化过程中, Fe/P-BT的界面连接良好且Fe-Sb-Te的三元扩散层的成分基本不变。扩散层厚度与时间的平方根成线性关系,生长激活能为199.6 kJ/mol。Fe/P-BT的界面电阻率较小且随着老化时间延长缓慢增大,在350℃老化16 d后仍然低于10μ?·cm~2。基于界面扩散动力学的寿命预测表明Fe可以用作Bi_(0.5)Sb_(1.5)Te_3热电元件的阻挡层材料。     

方钴矿热电材料/Ti88Al12界面稳定性研究

热电器件的界面稳定性是决定其服役可靠性和寿命的关键因素。对于方钴矿热电器件, 为了抑制高温电极与方钴矿材料之间的相互扩散, 需要在两者之间加入阻挡层。本工作选用Ti₈₈Al₁₂作为阻挡层, 利用一步法热压烧结制备n型Yb_0.3Co₄Sb₁₂/Ti₈₈Al₁₂/Yb_0.3Co₄Sb₁₂和p型CeFe_3.85Mn_0.15Sb₁₂/Ti₈₈Al₁₂/CeFe_3.85Mn_0.15Sb₁₂样品, 研究Ti₈₈Al₁₂阻挡层与热电材料间的界面接触电阻率及微结构在加速老化实验中的演化规律。结果表明: 在相同的老化条件下, n型样品的界面接触电阻率增加速度比p型样品慢, 其激活能分别为84.1 kJ/mol和68.8 kJ/mol。对于n型样品, 由元素扩散反应生成的金属间化合物中间层的增长及最终AlCo/TiCoSb层的开裂是导致界面接触电阻率增加的主要原因; 而p型热电材料与Ti₈₈Al₁₂的热膨胀系数的差异加速了p型样品中界面裂纹的产生。     

碲化铋基热电半导体晶体研究

碲化铋基热电半导体是中低温区高性能热电转换材料,在微电子、计算机以及航天等领域广泛用于局部致冷与精确温控,在工业余废热回收温差发电等领域具有良好的应用前景。通过合金化和掺杂的方法,可以增强声子散射降低晶格热导率,优化载流子浓度提高电性能,从而提高碲化铋基材料的热电性能。在简述碲化铋晶体结构和能带结构基础上,综述了合金化和掺杂提高碲化铋基半导体的热电性能、碲化铋基半导体晶体生长的方法及空间微重力对碲化铋基晶体区熔生长的影响,并展望了利用天宫二号空间实验室开展碲化铋基晶体生长及其相关研究。     

碲化铋基热电器件的有限元模拟与设计组装

利用ANSYS软件构建碲化铋基多热电对的仿真模型,研究了不同热电对数量对热电器件性能的影响及应力分布,建立可实现的器件模型。模拟结果表明,热电器件的应力主要分布在各个材料的接触面上。在热电器件冷端面、热端面温差恒定为50℃、输入电流为9 A时,热电器件的制冷系数取得最大值,为0. 24;输入电流为10 A时,取得最大制冷量1. 33 W。对器件的制备工艺进行改进,成功制备出七对热电对构成的平面型热电器件。在重新构建的ANSYS模型中引入接触电阻,显著降低了制冷系数,当设定温差为10℃、冷端面温度为20℃时,制冷系数为0. 03。这也为后续热电器件的制备提供了理论指导。     

热电器件的界面和界面材料

基于塞贝克效应的热电转换技术, 在大量分散的低品位废热转换电能方面有着不可替代的优势。以热电优值ZT为性能指标的热电材料研发成为新能源材料领域研究的热点之一。近年来, 大量新型中温热电材料被相继发现, 然而新型热电材料的产业化应用, 尤其是在温差发电方面的进展尤为缓慢, 其中热电器件中的材料界面问题严重制约了热电转换技术的应用进程。本文从Bi₂Te₃型器件在温差发电方面所遇到的技术瓶颈为例, 阐述热电器件中的界面关键技术, 并归纳出电极接触界面需要综合考虑低的界面电阻、高的结合强度、以及好的高温稳定性能。然后总结了与Bi₂Te₃、PbTe、CoSb₃基三种热电材料相关的界面材料研究进展。     

热电器件各界面优化方法研究综述

热电技术的发展及热电器件的广泛应用吸引了世界各国研究人员的目光.热电器件的结构分析及其导电、传热性能优化是提升热电器件转化效率的有效途径之一.本文主要介绍了Bi2 Te3热电器件的陶瓷基板、金属电极、过渡层以及热电臂界面对热电器件内部的导电、传热性能的影响.综合目前已有研究,阐明了热电器件在实际设计及使用过程中,各个界面以及连接界面存在的问题和已有的解决方法,分析了热电器件在设计、优化过程中存在的不足.     

n型Bi2Te3基材料表面处理对热电单元性能的影响

Bi₂Te₃基微型热电器件的尺寸越小,界面结合强度及接触电阻对于器件力学性能、开路电压以及输出功率等的影响就越显著。因此开发成本低、工艺简单的热电单元制备技术,并使n型Bi₂Te₃基块体材料与阻挡层间的界面兼具低接触电阻、高结合强度具有重要意义。本工作将n型Bi₂Te₃基热电材料薄片在混合酸溶液(pH～3)中进行表面处理,随后进行化学镀Ni(5μm),再与Cu电极焊接制备得到热电单元。腐蚀后, n型Bi₂Te₃基热电材料表面大的沟壑与Ni阻挡层间形成锚固效应,腐蚀6 min的材料结合强度高达15.88 MPa。大沟壑表面进一步腐蚀后出现的精细分支与Ni阻挡层间形成纳米孔洞,显著增大了界面接触电阻,腐蚀2 min的材料达到2.23??cm2。最终,腐蚀4 min后镀Ni的n型Bi₂Te₃基热电片材与p型Bi₂Te₃基热电片材制备...     

Nb/Mg3SbBi界面层热稳定性研究

Zintl相Mg₃(Sb,Bi)₂基热电材料因在中低温区(27～500℃)表现出优异的热电性能而受到广泛关注。然而,由于Mg、Sb元素比较活泼,在长期高温服役下易与电极发生剧烈界面扩散反应,导致热电器件的性能和服役寿命衰减。因此,选择能有效阻挡元素剧烈互扩散并且具有低界面接触电阻率阻挡层材料至关重要。本研究首先利用热压工艺制备出300℃最高ZT～1.4的n型Mg₃SbBi(Mg_3.2SbBi_0.996Se_0.004)样品,然后采用Nb粉作为扩散阻挡层一步烧结制备Mg₃SbBi/Nb/Mg₃SbBi“三明治”结构样品,系统研究界面层的组成、微结构以及电阻随老化时间演变过程。加速老化实验(525℃/70 h; 525℃/170 h; 525℃/360 h)研究发现, Nb阻挡层中的Mg-Sb/Bi组分发生偏析,表面产生裂纹,抛光处理后界面连接完好,无裂纹和孔洞,界面扩散层厚度随老化时间延长缓慢增加至1.6μm。Nb/...     

服役条件下方钴矿基热电元件的界面应力分析（英文）

热电器件中,界面可靠性是影响整体稳定和功率输出的关键因素。对于方钴矿(SKD)器件,热电臂和电极通过扩散阻挡层(DBL)连接。在高温下,DBL与SKD、电极之间会发生反应并生成复杂的界面结构,导致界面附近的热、电、力学性能发生变化。本研究根据实际界面结构建立了包含微观结构的有限元模型,并将其用于分析方钴矿基元件的界面应力状态。采用单层模型对DBL材料参数进行了筛选,发现热膨胀系数(CTE)和弹性模量(E)对第一主应力有显著影响。采用包含界面微结构的多层模型定量模拟了不同老化温度、时间下元件内部的应力分布,结果表明在SKD/Zr和SKD/Nb中,CoSb_2反应层最为薄弱,随着老化时间的延长,反应层的厚度增加,界面应力变大。同时,元件的拉伸试验结果与计算结果吻合较好,验证了模型的准确性与可行性。本研究为提升SKD/DBL元件的结构稳定性提供了指导,同时也为精确模拟多层结构中的应力状态提供了研究思路。     

基片温度对射频磁控溅射碲化铋薄膜微结构和表面形貌的影响

碲化铋材料是目前已知的室温下性能优异的热电材料之一。本文利用射频磁控溅射在不同基片温度下制备了碲化铋薄膜。研究发现,基片温度对薄膜的微结构和表面形貌影响显著。随着温度的提高,薄膜内晶粒尺寸都不同程度地增加。基片温度100℃以上碲化铋薄膜为Bi2Te3相为主的多晶结构,并具有良好的c轴择优取向,形成了六角层状结构。基片温度250℃时薄膜转变为BiTe相,并在表面生成Te长条状颗粒。应力分析表明碲化铋薄膜与Si(100)基片之间的残余应力受温度影响明显。     

Bi0.5Sb1.5Te3/环氧树脂柔性复合热电厚膜的制备及其面内制冷性能

利用丝网印刷法在聚酰亚胺基板上制备了Bi_0.5Sb_1.5Te₃/环氧树脂柔性复合热电厚膜, 通过优化Bi_0.5Sb_1.5Te₃粉末含量提高了其电输运性能。复合厚膜在300 K时的最优功率因子达到1.12 mW·m ^-1·K ^-2, 较前期报道的数值提高了33%。抗弯测试表明复合厚膜的电阻在弯曲半径大于20 mm时基本不变, 在弯曲半径为20 mm, 弯曲次数小于3000次时, 仅有轻微增大, 说明其在柔性热电器件领域具有应用潜力。红外热成像技术显示, 在工作电流为0.01 A到0.05 A时, 复合厚膜热电臂两端可以形成4.2 ℃到7.8 ℃的温差, 表明了其在面内制冷领域应用的可能性。     

Bismuth telluride nanostructures: preparation,thermoelectric properties and topological insulating effect

Bismuth telluride is known to wield unique properties for a wide range of device applications. However, as devices migrate to the nanometer scale, significant amount of studies are being conducted to keep up with the rapidly growing nanotechnological field. Bi₂Te₃ possesses distinctive properties at the nanometer level from its bulk material. Therefore, varying synthesis and characterization techniques are being employed for the realization of various Bi₂Te₃ nanostructures in the past years. A considerable number of these works have aimed at improving the thermoelectric (TE) figure-of-merit (ZT) of the Bi₂Te₃ nanostructures and drawing from their topological insulating properties. This paper reviews the various Bi₂Te₃ and Bi₂Te₃-based nanostructures realized via theoretical and experimental procedures. The study probes the preparation techniques, TE properties and the topological insulating effects of 0D, 1D, 2D and Bi₂Te₃ nanocomposites. With several applications as a topological insulator (TI), the topological insulating effect of the Bi₂Te₃ is reviewed in detail with the time reversal symmetry (TRS) and surface state spins which characterize TIs. Schematics and preparation methods for the various nanostructural dimensions are accordingly categorized.     

Yb0.3Co4Sb12/Mo-Cu热电元件的界面结构与界面电阻

通过放电等离子烧结(SPS)实现阻挡层Ti-Al、过渡焊接层Ni与热电臂Yb_0.3Co₄Sb₁₂的一体化烧结, 使用Ag-Cu-Zn共晶合金完成热电元件Yb_0.3Co₄Sb₁₂/Ti-Al/Ni与Mo-Cu电极的钎焊连接。扫描电镜(SEM)显示出Yb_0.3Co₄Sb₁₂/Ti-Al/Ni/Ag-Cu-Zn/Mo-Cu接头中各界面结合良好, 无裂纹, 成分分析发现Yb_0.3Co₄Sb₁₂/Ti-Al界面存在AlCo、TiCoSb及TiSb₂等金属间化合物(IMC)。500℃下等温时效30 d后, Yb_0.3Co₄Sb₁₂/Ti-Al界面处的金属间化合物厚度无明显变化; Ag-Cu-Zn/Ni界面处Cu、Zn扩散趋于稳定, Cu-Zn扩散层厚度达到约40 μm。界面接触电阻测试结果表明, 等温时效前后Yb_0.3Co₄Sb₁₂/Ti-Al/Ni/Ag-Cu-Zn/Mo-Cu元件的界面接触电阻率均低于10 μΩ·cm²。     

Dislocation, annealing and quenching effects on the microindentation hardness of Bi2Te3 and Bi2Te2.9Se.1 single crystals

Stoichiometric crystals of Bi₂Te₃ and Bi₂Te_2.9Se_.1 have been grown from the melt by the horizontal zone melting (HZM) technique. X-ray powder diffraction and energy dispersive X-ray analysis could prove that the grown crystals are stoichiometric with lattice constants a=0.4374 nm, c=3.044 nm for Bi₂Te₃ and a=0.4374 nm, c=3.038 nm for Bi₂Te_2.9Se_.1. Dislocation density measurements are carried out by etch pit technique and are observed by scanning electron and optical micrograph. The mechanical strength of the as-grown, quenched and annealed crystals is assessed by the Vickers hardness measurements.     

(Bi0.85Sb0.15)1-xAsx的电输运和红外光学特性研究

采用熔融法制备了(Bi_0.85Sb_0.15)_1-xAs_x合金, 用X射线衍射和电子能谱仪进行物相和组份表征, 随As掺杂量的增加, 晶胞体积收缩,名义掺杂浓度低于8%的样品没有出现杂相。在温度T =100 K以下, 母体Bi_0.85Sb_0.15的直流电阻温度关系呈现半导体特性, 而(Bi_0.85Sb_0.15)_0.95As_0.05在12~300 K范围都显示金属性。从红外反射光谱可知, Bi_0.85Sb_0.15的等离子边在远红外区且随温度下降向低频移动, 是窄带隙半导体的热激发行为。室温下(Bi_0.85Sb_0.15)_0.95As_0.05的自由电子等离子频率相比母体移动并不明显, 但是散射率增大, 在中红外600~2000 cm^-1区间光电导谱比Bi_0.85Sb_0.15高, 经分析可知是源于带尾态的出现。综合对电输运和红外光谱的分析可知, (Bi_0.85Sb_0.15)_0.95As_0.05的费米能级应处于扩展态区, 而并非定域态。     

CoSb3/MoCu热电接头的一步SPS法制备及性能评价

Mo-Cu合金电极被成功应用于CoSb₃基热电发电元件. 通过调节合金中铜的含量,Mo₅₀Cu₅₀合金取得了与CoSb₃良好的热匹配. 借助于放电等离子烧结(SPS), Mo-Cu合金通过钛层成功实现了与CoSb3热电材料的连接. 在CoSb₃/Ti/Mo-Cu界面区域,没有发现微裂纹,扫描电镜（SEM）显示在CoSb₃/Ti界面处生成了TiSb相. 500℃的热时效实验表明,CoSb₃/Ti界面区域的TiSb相厚度略有增加,显示了良好的热稳定性. 随着热时效时间的延长,接头的剪切强度降低. 四点探针测试表明,界面区域界面电阻很小,界面接触电阻率在20～30μΩ·cm²,显示了热电接头良好的电接触.     

添加Bi2WO6对ZnO基压敏陶瓷电学性能的影响

用传统固相反应法研究了添加Bi₂WO₆(x=0%~9%,质量分数)对ZnO基压敏陶瓷的微观结构、压敏性能和介电性能的影响。结果表明：掺入适量的Bi₂WO₆能促进ZnO压敏陶瓷晶粒均匀生长、提高微观结构的均匀性、降低压敏场强和提高非线性系数;同时,Bi₂WO₆的添加可提高ZnO晶粒表面吸附氧的含量,从而提高界面态密度和势垒高度以及ZnO基压敏陶瓷的非线性特性。Bi₂WO₆的添加量为7%的ZnO基压敏陶瓷,其综合性能为：E_{1 mA}=263 V/mm,α=53,J_L=3.50 μA/cm²,φ_b=11.52 eV。     

服役条件下方钴矿基热电元件的界面应力分析

热电器件中, 界面可靠性是影响整体稳定和功率输出的关键因素。对于方钴矿(SKD)器件, 热电臂和电极通过扩散阻挡层(DBL)连接。在高温下, DBL与SKD、电极之间会发生反应并生成复杂的界面结构, 导致界面附近的热、电、力学性能发生变化。本研究根据实际界面结构建立了包含微观结构的有限元模型, 并将其用于分析方钴矿基元件的界面应力状态。采用单层模型对DBL材料参数进行了筛选, 发现热膨胀系数(CTE)和弹性模量(E)对第一主应力有显著影响。采用包含界面微结构的多层模型定量模拟了不同老化温度、时间下元件内部的应力分布, 结果表明在SKD/Zr和SKD/Nb中, CoSb₂反应层最为薄弱, 随着老化时间的延长, 反应层的厚度增加, 界面应力变大。同时, 元件的拉伸试验结果与计算结果吻合较好, 验证了模型的准确性与可行性。本研究为提升SKD/DBL元件的结构稳定性提供了指导, 同时也为精确模拟多层结构中的应力状态提供了研究思路。