稀土元素Tm掺杂对Cu2S热电性能影响研究

Cu₂S具有较低的晶格热导率和窄禁带宽度,它热电性能优异、成本低廉且无毒等优点引起了热电材料相关研究领域的广泛关注。采用水热合成法与真空烧结法相结合的方式制备Cu₂S基热电材料,通过物相、成分表征和热电性能测试等手段,研究稀土元素Tm掺杂对Cu₂S基材料热电性能的影响规律,并采用第一性原理开展掺杂后Cu₂S能带结构和态密度计算。研究结果表明,水热合成法可以获得Cu₃₁S₁₆粉体,在真空烧结过程中物相发生了转变,从原来的Cu₃₁S₁₆转变为Cu₂S。掺杂Tm元素可显著提高Cu₂S粉体的结晶性能,随着掺杂含量的增加,Cu₂S团聚现象逐渐消失。Cu₂S塞贝克系数随Tm掺杂量的增加有所提升,其中掺杂2%Tm的Cu₂S在350℃处于相变温度,塞贝克系数达到峰值1589.71μV/K;随掺杂元素的增加和温度的升高,C...     

异层等价离子双掺杂策略优化BiCuSeO的热电性能

选取BiCuSeO双亚层超晶格热电材料为研究对象, 通过La、Ag单掺杂和双掺杂两种方式等价取代[Bi₂O₂]²⁺亚层和[Cu₂Se₂]^2-亚层中的Bi、Cu位点, 并对其热电输运性能和缺陷调控机理进行研究, 结果发现：La-Ag双掺杂可以结合两种单掺杂的优势, 在适度提升载流子浓度的同时保持与纯样相当的载流子迁移率, 从而使电导率得到大幅度的提升。与此同时, La-Ag双掺杂可以引发能带收敛效应, 有助于同步获得较高的载流子迁移率和Seebeck系数, 最终使PF得到了优化; 另一方面, 由于点缺陷对载热声子的强烈散射作用, 样品的晶格热导率和总热导率进一步降低, 使最终ZT值也得到了优化。结果, La-Ag双掺杂样品的ZT值在755 K下达到0.46, 高于原始纯样(ZT=0.27)和单掺杂样品。该项研究表明La、Ag异层等价双掺杂策略可以实现BiCuSeO热电输运参数的协同调控与优化。     

温差发电用BiCuSeO基热电材料的研究进展

BiCuSeO基热电材料由于具有较低的热导率和较高的Seebeck系数,热电性能优异,且原料储藏丰富、价格低廉、安全无毒,被认为是一种具有潜在应用前景的新型热电转换材料。首先介绍了BiCuSeO基材料的晶体结构、电子结构、热电性能等基本特征,随后综述了近年来国内外关于BiCuSeO基热电材料的研究进展,评述了提高其热电性能的手段,包括Na、Ag、Mg、Ca、Sr、Ba等低价元素掺杂,铜空位,双空位,带隙调整,晶粒细化,织构化和调制掺杂等。通过电热输运特性的协同调控,可使其ZT值从未掺杂样品的0.4左右提高到1.5。最后从实际应用的角度出发提出了今后BiCuSeO基热电材料的研究方向及研究重点。     

氧化物热电材料研究进展

由于能源危机正在到来,废热回收已经成为解决能源短缺问题的有效途径之一,热电材料在废热收集环节中占有举足轻重的地位。其中,氧化物热电材料拥有抗氧化能力强、热稳定性好、原料相对低廉、制备工艺相对简单、无毒、无污染、使用寿命长等传统合金材料不具备的优点,但由于低的电导率因而限制了其在热电性能方面的表现。已经有大量研究发现,可以通过元素掺杂,改善氧化物热电材料的热电性能,氧化物热电材料再次受到广大研究者的关注。综述了氧化物热电材料的研究进展与今后的发展方向,着重阐述了以BiCuSeO为代表的氧化物热电材料的基本结构、性能特征与研究进展;评述了BiCuSeO材料Bi位、Cu位和O位掺杂研究以及BiCuSeO的结构优化;并简单介绍了NaCo_2O_4、Ca_3Co_4O_9、SrTiO_3、ZnO、In_2O_3热电材料的研究情况。     

Ti掺杂对half-Heusler合金YNiSb热电性能的影响

通过悬浮熔炼方法制备了Y1-xTixNiSb(x=0,0.015,0.02,0.025)材料并研究了Ti掺杂对材料热电性能的影响。经过孔隙率修正后,Ti掺杂样品的热导率和电导率均比未掺杂样品要低,并且随着Ti含量的增加呈现先下降后上升的趋势。分析发现Ti掺杂后样品热导率的降低是由于电子热导率的下降所致,电子载流子的引入则导致了电导率的下降。Ti掺杂后样品Seebeck系数在室温下有变负趋势,表明材料在室温下可能呈现N型传导特性。最终,Ti掺杂提高了材料的热电性能。Ti含量x=0.015的样品在770K左右获得最大ZT值0.085,与未掺杂样品相比,提高了约60%。     

钴基氧化物热电材料掺杂研究进展

氧化物热电材料是近年研究的热点之一,钴氧化物因具有优良的高温稳定性、抗氧化性、低成本和易于大规模生产等优点而受到人们的广泛关注,被认为是很有使用价值的热电材料,很多学者在此方面进行了大量的研究。详细介绍了元素掺杂对热电性能的影响,从物理机制上分析了掺杂元素的半径和价态对Ca3Co4O9和NaxCo2O4热电性能的影响,为热电材料的进一步研究提供了依据。     

Ⅰ掺杂提高铅固溶立方相AgBiSe2热电性能

热电材料可以实现温差和电能的相互转换,因而近年来备受关注。本工作利用高温固相反应制备Ag_1-x/2Bi_1-x/2Pb_xSe₂(x=0,0.2,0.25,0.3)多晶料,并借助放电等离子烧结成型得到致密样品。X射线衍射分析结果表明：在室温条件下,Pb固溶可导致AgBiSe₂由六方相转变为立方相。Pb元素的引入还可以降低材料的晶格热导率,有利于提高材料的热电性能。由于Ag_0.875Bi_0.875Pb_0.25Se₂兼具较低的晶格热导率和较高的热电优值(ZT),通过Ⅰ掺杂可进一步优化其电输运性能,进而提高材料的热电性能。Ag_0.875Bi_0.875Pb_0.25Se_1.97I_0.03在773 K时的热电优值约为0.72,接近未掺杂AgBiSe₂热电优值的两倍。     

Te掺杂方钴矿CoSb3的溶剂热合成及电学性能

以CoCl2,SbCl3和Te粉为原料,NaBH4为还原剂,用溶剂热方法合成了Te掺杂方钴矿CoSb（3-x）Tex（x=0,0.05,0.1,0.2,0.4）纳米粉末.研究发现,Te含量较高的样品（x≥0.2）有明显的CoTe2等杂相存在.CoSb（3-x）Tex合成粉末的粒径大小在40nm左右,热压后晶粒发生长大,平均晶粒尺寸约为300nm.电学性能测试表明Te掺杂方钴矿CoSb（3-x）Tex的导电类型为n型,Seebeck系数的绝对值随着Te含量的增加而变小,电导率随着Te含量的增加而增大.在测试温度范围内,CoSb（2.8）Te（0.2）具有最高的功率因子,在773K温度下达到2.3×10^-3W·m^-1·K^-2.     

La掺杂n型Mg2Si基半导体的热电性能研究

采用感应熔炼然后热压的方法制备了La掺杂Mg2Si基热电材料Mg2-xLaxSi(x=0、0.002、0.005、0.010、0.015).La在Mg2Si中占Mg位,当x≥0.005时,出现第二相LaMg.性能测试表明,Mg2-xLaxSi的导电类型为n型,Seebeck系数的绝对值随La含量的增多而减小,电导率和热导率均随La含量的增多而增大,在测试温度范围内,Mg1.995La0.005Si具有最高的ZT值,在774K温度下达到0.42.     

La、Nb掺杂固相反应法合成SrTiO3热电性能的优化

SrTiO₃作为钛矿型金属氧化物半导体,具有环境友好、原料来源丰富等优点。本研究发现了一种制备高新热电性能SrTiO₃材料的新工艺,对比固相反应法直接烧制的SrTiO₃陶瓷,采用本工艺的PAS+埋烧热处理方法可以降低制备反应温度,并且所得材料的功率因子得到显著提高。该项发现主要研究了在此工艺下制备的不同La、Nb掺杂比(5%-15%)的样品性能变化情况。结果表明,该工艺下制备的SrTiO₃样品中La15Nb15样品在873K时的最大功率因子可达1.279mW·m^-1·K^-1。但是部分样品热导率也会出现一定程度的增加。综合效果是材料热电优值ZT得以提升,在873K时La10Nb5样品的ZT值达到了0.28。     

Sb掺杂对N型half-Heusler材料热电性能的影响

研究了Sb掺杂对N型half-Heusler化合物Zr_0.25Hf_0.25Ti_0.5NiSn_1-xSb_x (x=0、0.002、0.005、0.01、0.02、0.03)热电传输特性的影响。结果显示, 随着Sb掺杂量增加, 材料的载流子浓度提高, 电阻率降低, 尤其是低温(<300 K)电阻率下降显著, 赛贝克系数降低, 且取得最大赛贝克系数的温度向高温端移动, 最大功率因子增加~20%, 材料的热导率增大, 主要是电子热导率提高的贡献, 晶格热导率影响不大; 当Sb掺杂量较低时(x<0.01), 材料的最大热电性能优值ZT值在0.77左右, 掺杂量x=0.005的样品ZT值在整个温度区间内最优。     

Ge1-xInxTe微观结构对热电性能的影响

在GeTe中掺杂In能够引入共振能级, 但其微观结构对热电性能的影响还不明确。本研究采用熔炼-淬火-退火并结合放电等离子体烧结(SPS)的方法制备了系列Ge_1-xIn_xTe样品, 采用XRD、SEM、激光导热仪和热电性能分析系统(ZEM-3)对其微观结构和热电性能进行了研究。结果表明, 随着In元素的掺入, Ge_1-xIn_xTe的晶胞体积减小、人字鱼骨结构变小、晶界增多, 导致晶格热导率降低, 获得的最低热导率为2.16 W·m ^-1·K ^-1。同时, 掺杂In引入了共振能级, 降低了载流子浓度, 使塞贝克系数以及功率因子增大。当In掺杂量x为0.03时, Ge_1-xIn_xTe在600 K时获得最大ZT值1.15, 比GeTe提升了26.4%, 表明调整Ge_1-xIn_xTe的微观结构可以有效提升热电性能。     

高优值系数热电材料研究

热电材料直接将热能与电能进行转换可作为再生能源组件及做成致冷芯片,是一种极具发展前景的能源材料.着重分析了影响热电优值的基本因素,探讨了提高热电优值的3条途径,即对现有材料晶格进行多元掺杂、降低材料维数、研制新型结构材料,并阐述和展望了热电材料在发电和制冷方面的应用前景.     

稀土掺杂对锡基Half-Heusler合金热电特性的影响

采用电弧熔炼法和放电等离子体烧结法,制备了稀土掺杂的金属间化合物Zr1-xLaxNiSn(x=0.05,0.1,0.15,0.2,0.3,0.4)和Zr0.98R0.02NiSn0.98X0.02(R=La,Ce;X=Sb,Bi).用X射线衍射仪分析研究了它们的晶体结构随稀土替代量演化的规律.在室温到700K的范围内,对其热电特性进行了评价.研究结果表明,代换量x小于0.15时,稀土原子可以进入晶格形成单相化合物.代换量x大于0.15的样品中含有非half-Heusler的第二相,且含量随x增大而增加.少量稀土掺杂可以有效地降低材料的热导率而保持良好的电输运特性.在575K,Zr0.98La0.02NiSn0.98Sb0.02的热电优值达到0.5.     

Half-Heusler热电半导体材料

介绍了最近几年在热电半导体材料领域里新出现的half-Heusler化合物的结构和研 究现状,比较了各化合物掺杂及等电子合金化前后的电与热传输参数的变化,并指出了该材料 的进一步研究方向.     

Zn-Sb双掺杂Mg2(Si,Sn)合金的热电性能

Mg₂(Si,Sn)合金热电材料具有成本低廉、环境友好等优点, 作为一种绿色环保的中温区热电材料一直受到广泛关注。在Mg₂(Si,Sn)基材料中掺杂大剂量Sb可诱发Mg空位, 从而有效降低材料的热导率, 但同时Seebeck系数也会降低。研究采用高温熔炼及真空热压法成功合成了Mg_2.12-ySi_0.4Sn_0.5Sb_0.1Zn_y (y=0~0.025)试样, 通过在大剂量Sb掺杂的Mg₂(Si,Sn)基材料中添加Zn元素, 研究了大剂量Sb和微量Zn双掺杂对材料电声输运特性的综合影响。研究结果表明, Zn-Sb双掺杂可通过有效抑制材料电子热导率的方法大幅降低Mg₂(Si,Sn)合金材料的总热导率, 与此同时明显提高掺Zn试样的塞贝克系数以弥补其电导率的损失, 维持材料较为优异的电学性能。最终, 热导率的大幅优化及电学性能的维持实现了材料综合热电性能的显著提升, 其中, 成分为Mg_2.095Si_0.4Sn_0.5Sb_0.1Zn_0.025的材料在823 K下热电优值ZT达到1.42。     

新型热电材料的研究动态

半导体热电材料的热电效应有着巨大的应用潜力,但如何提高材料的热电转化效率是目前研究者们探讨的热点问题.介绍了一些有潜力的新型热电材料诸如Skutterudites、Clathrates、Half-Heusler、准晶体等体系的研究概况,重点介绍了功能梯度热电材料和低维热电材料的研究动态.