第二相与元素掺杂对β-Cu2Se结构及热电性能的影响
热电材料作为一种新型能源材料,近年来引起人们的关注.其中P型β-Cu2Se热电材料拥有复杂的晶体结构,以及电子液体-声子玻璃的特征,是一种很有潜力的热电材料.本论文通过真空熔炼及SPS烧结制备了在β-Cu2Se中引入Cu3Sb Se3和Sn Se第二相、Mn替代Cu及Te替代Se系列样品,利用XRD、DSC、SEM及热电性能测试等手段研究了第二相掺入和元素掺杂对β-Cu2Se结构及热电性能的影响.主要结果如下:(1)(Cu2Se)1-x(Sn Se)x(x=0,0.01,0.03,0.05,0.07,0.10)系列样品中,当x较小时,Sn固溶在β-Cu2Se晶体中,引起晶格膨胀,降低了材料的载流子浓度,优化了功率因子.同时固溶的Sn大幅度降低了材料的晶格热导率.而作为第二相存在的Sn Se增加了材料的热导率,不能起到提升β-Cu2Se热电性能的作用.(Cu2Se)0.97(Sn Se)0.03样品的热电优值ZT在823K时达到了1.41,相比于同温度下的β-Cu2Se纯样提高了近20%.(2)(Cu2Se)1-x(Cu3Sb Se3)x(x=0,0.003,0.006,0.01,0.015,0.02,0.03)系列样品中,少量Cu3Sb Se3中的Sb固溶进β-Cu2Se晶格中,引起晶格膨胀.Sb的掺入降低了载流子迁移率,使电阻率和Seebeck系数降低,并提高了功率因子,降低了热导率.Cu3Sb Se3第二相的特殊结构使其本身具有超低的热导率及相界对声子散射增强,Cu3Sb Se3第二相的引入有利于降低热导.这些因素使得(Cu2Se)1-x(Cu3Sb Se3)x系列合金的热电性能得到了优化.在773K时,(Cu2Se)0.98(Cu3Sb Se3)0.02样品的ZT值达到了1.31.(3)Cu2Se1-xTex(x=0,0.01,0.03,0.07,0.10)系列中,Te能完全固溶在β-Cu2Se晶格中.β-Cu2Se晶胞参数随着Te掺杂量增加有规律增加.Te对Se的取代,增加了载流子浓度,使得电阻率、Seebeck系数都有所降低,但功率因子没有提高.同时,Te对Se的取代降低了晶格热导,但由于载流子热导的增加使得总热导率提高.Te的掺杂不能对β-Cu2Se热电性能得到优化.(4)Cu2-xMnxSe(x=0,0.005,0.01,0.015,0.02)中Mn对Cu替代降低了载流子浓度,提高了电阻率及Seebeck系数,使功率因子得到优化.同时还大幅度降低了晶格热导率及总热导率,使得Mn掺杂量为x=0.01的样品在823K时,ZT达到1.3.
- 作者：
- 黄明杰
- 学位授予单位：
- 深圳大学
- 专业名称：
- 材料物理与化学
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2015年
- 导师姓名：
- 刘福生
- 中图分类号：
- TB34
- 关键词：
- β-Cu2Se；热电性能；第二相及元素掺杂
- β-Cu2Se； thermoelectric properties； the second phase or elements doping