n型Bi-,2-Te-,3-納米熱電材料的制備、微結(jié)構(gòu)與性能.pdf

1、碲化鉍基化合物是研究最早，也是目前發(fā)展最為成熟的熱電材料之一，廣泛應(yīng)用于制冷器件及低溫區(qū)發(fā)電（200～400 K）。傳統(tǒng)工藝（區(qū)熔法）所制備的n型碲化鉍基化合物最大熱電性能優(yōu)值ZT為0.8～1。理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明納米結(jié)構(gòu)可以大幅度的提高材料的熱電優(yōu)值。因此，對(duì)于碲化鉍熱電材料的研究重點(diǎn)目前國內(nèi)外集中在探索新的制備技術(shù)，以獲得具有納米結(jié)構(gòu)的高性能熱電材料。本文以n型Bi2Te2.79Se0.21熱電材料為研究對(duì)象，采用熔體旋甩技術(shù)結(jié)

2、合放電等離子體燒結(jié)技術(shù)制備了具有精細(xì)納米結(jié)構(gòu)的塊體材料，利用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡（FESEM）對(duì)Bi2Te2.79Se0.21薄帶微結(jié)構(gòu)和塊體材料的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征和分析，并測(cè)試了塊體材料的熱電性能，研究了微結(jié)構(gòu)和材料熱電性能之間的關(guān)系和規(guī)律，研究了不同制備工藝對(duì)材料熱電性能取向的影響，研究了Se過量對(duì)材料熱電性能的影響，其主要內(nèi)容和結(jié)果如下。 ⑴在相同銅輥轉(zhuǎn)速條件下，薄帶自由面得到的是較粗大的枝狀晶，而接觸面是晶粒非常細(xì)小的等軸狀晶

3、粒，且隨著銅輥轉(zhuǎn)速增大，自由面的枝狀晶及接觸面的等軸狀晶粒尺寸都明顯變小；經(jīng)熔體旋甩和SPS燒結(jié)塊體材料的微結(jié)構(gòu)明顯不同與區(qū)熔樣品，其微結(jié)構(gòu)宏觀上從區(qū)熔樣品的層狀結(jié)構(gòu)向等軸狀發(fā)展，且隨著銅輥轉(zhuǎn)速增大等軸狀傾向更加明顯，層片狀厚度及直徑更加細(xì)??；隨著銅輥轉(zhuǎn)速增大，材料電導(dǎo)率明顯增大，Seebeck系數(shù)絕對(duì)值有一定程度減小，功率因子在測(cè)試范圍內(nèi)隨著轉(zhuǎn)速增大明顯增大。經(jīng)過熔體旋甩處理樣品總的熱導(dǎo)率和晶格熱導(dǎo)率均遠(yuǎn)低于區(qū)熔樣品，但是由于電導(dǎo)率下

4、降過大，材料ZT值有所下降。 ⑵區(qū)熔樣品在（00l）有很強(qiáng)的晶面取向，由于結(jié)構(gòu)的取向性使樣品熱電性能在沿生長(zhǎng)方向和垂直生長(zhǎng)方向表現(xiàn)出顯著的各向異性。區(qū)熔樣品經(jīng)SPS燒結(jié)后，晶體生長(zhǎng)擇優(yōu)取向度降低，材料性能在兩個(gè)方向差異減小。區(qū)熔樣品經(jīng)MS+SPS工藝后，材料晶體生長(zhǎng)擇優(yōu)取向基本消失，材料性能基本各向同性。這表明MS+SPS工藝將提高材料的可加工性和元器件使用的可靠性。 ⑶當(dāng)Se摻量在0～1.67wt％時(shí)，MS+SPS后均

5、保持得到樣品均為單相的Bi2Te3化合物。所有摻雜樣品電導(dǎo)率都遠(yuǎn)高于未摻雜的樣品，隨著Se含量增加材料載流子濃度增加，但增大到一定程度后基本保持不變，材料電導(dǎo)率先增大后減小，Seebeck系數(shù)絕對(duì)值先減小后增大，隨著Se含量增大材料熱導(dǎo)率先增大后減小，熱導(dǎo)率變化規(guī)律和電導(dǎo)率基本一致。Se摻入后所有樣品ZT值隨溫度升高先增大后減小，在460K到附近時(shí)達(dá)到最大。Se過量1.67 wt％樣品ZT值在460K達(dá)到0.76，較未摻入Se樣品相比提