Cu2Te-Bi2Te3復(fù)合熱電材料的微結(jié)構(gòu)與熱電性能研究.pdf

1、Bi2Te3體系是重要的低溫?zé)犭姴牧象w系，在熱電制冷和熱電發(fā)電等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。摻雜和結(jié)構(gòu)納米化是提高Bi2Te3體系熱電性能的主要途徑。Cu是Bi2Te3體系中重要的摻雜元素之一，且在Bi2Te3中有多種存在形式，包括在格點(diǎn)位置，插層位置以及形成Cu2Te第二相等。不同的存在形式對(duì)材料性能影響很大，但迄今為止對(duì)其存在形式并沒有統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，一直存在爭(zhēng)議。因此，研究和探明Cu在Bi2Te3中的存在形式對(duì)于調(diào)控和優(yōu)化Bi2Te3體系的

2、結(jié)構(gòu)和熱電性能具有重要意義。
　　針對(duì)Bi2Te3體系研究存在的上述問(wèn)題，本論文以Cu2Te復(fù)合Bi2Te3化合物為研究對(duì)象，首先系統(tǒng)探索了Cu在Bi2Te3化合物中的可能存在形式，在此基礎(chǔ)上研究了Cu插層樣品、Cu摻雜原位形成第二相樣品及Cu2Te少量復(fù)合Bi2Te3化合物的微結(jié)構(gòu)與熱電性能的影響規(guī)律。對(duì)于Cu2Te大量復(fù)合時(shí)，系統(tǒng)研究了Cu2Te-Bi2Te3偽二元系統(tǒng)微結(jié)構(gòu)隨組成、冷卻速率、退火工藝等因素的影響來(lái)探索Cu2T

3、e在Bi2Te3中的有序分布，得到如下結(jié)論：
　?。?）Cu在Bi2Te3化合物中的存在形式探索研究：按CuxBi2-xTe3、CuxBi2Te3-x以及CuxBi2Te3三種方式配比并對(duì)錠體進(jìn)行各種測(cè)試表明Cu取代Bi、Te原子的可能性很小，而Cu存在于Bi2Te3的五原子層間可能性很大。當(dāng)x進(jìn)一步增大，超過(guò)0.01時(shí)，原位生成了第二相Cu2Te。
　　（2）Cu、Cu2Te摻雜 Bi2Te3基化合物的熱電性能研究：Cu插

4、層的樣品CuxBi2Te3（x=0.005-0.02）中，隨著插層量的增加，電導(dǎo)率先減小，隨后Cu提供電子使之電導(dǎo)率增大，出現(xiàn)少量第二相后電導(dǎo)率再次減小。Seebeck系數(shù)的變化規(guī)律則是隨著插層含量的增大而增大。熱導(dǎo)率在低溫下降低較明顯，x=0.01的樣品在400 K時(shí)獲得最大ZT值約為0.36，相比于未摻雜的Bi2Te3樣品ZT值提高了約16％。
　　Cu在Bi2Te3化合物中原位形成第二相樣品CuxBi2Te3（x=0.05-

5、0.13）中，隨著第二相含量的增加，載流子濃度降低了約一個(gè)數(shù)量級(jí)，電導(dǎo)率先降低后增大，但是均低于未摻雜的Bi2Te3，而遷移率在室溫下差異不大。Seebeck系數(shù)變化規(guī)律與電導(dǎo)率相反。熱導(dǎo)率僅在室溫附近有較小程度的降低，最終x=0.13時(shí)，材料在375 K獲得最大ZT值為0.43，相比于未摻雜的Bi2Te3，熱電性能提高了約30％。(Cu2Te)x(Bi0.5Sb1.5Te3)1-x（x=1％-9％）復(fù)合材料樣品中，隨著復(fù)合量Cu2Te

6、的增加，載流子濃度增加，電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率大幅增加，Seebeck系數(shù)減小，而晶格熱導(dǎo)率在高溫下有一定程度的下降。復(fù)合后樣品的最佳ZT值都向高溫偏移，x=1％的樣品在475 K時(shí)獲得最大值為0.9，這相比未摻雜的Bi0.5Sb1.5Te3在325 K時(shí)取得的最大值0.76來(lái)說(shuō)，提高了約18％。
　　（3）Cu2Te-Bi2Te3偽二元系統(tǒng)的有序微結(jié)構(gòu)研究
　　Cu2Te-Bi2Te3偽二元系統(tǒng)沒有低共熔溫度，類似于共晶組織，在(