GeTe-AgSbTe2基熱電材料的納米結構與性能優(yōu)化.pdf

1、熱電材料是一種能夠實現(xiàn)電能與熱能之間直接相互轉換的功能材料,在航空航天、軍事、醫(yī)學、廢熱發(fā)電等領域有著廣泛的應用。GeTe-AgSbTe2基半導體具有Seebeck系數(shù)大、載流子遷移率高、有效質量大和聲子熱導率低等特點,是一種性能優(yōu)異的中溫P型熱電材料。一般認為GeTe-AgSbTe2材料中存在的永久晶格應變是其低聲子熱導率的主要原因。近幾年,與GeTe-AgSbTe2成分和性能相近的PbTe-AgSbTe2熱電材料中發(fā)現(xiàn)了豐富的納米結

2、構,被認為是導致材料具有低聲子熱導率的主要原因。目前為止還鮮見對GeTe-AgSbTe2微觀結構的深入研究。本文以GeTe-AgSbTe2熱電材料為研究對象,以熱電性能的優(yōu)化和認識微觀組織結構對電、熱輸運的作用為目的,以材料的原位納米化、復合化為主要制備手段,采用熔煉、液氮淬火、熔體旋甩結合熱壓燒結制備了具有多種原位納米結構的GeTe-AgSbTe2塊體熱電材料,利用SEM、TEM等手段對材料的微觀結構進行觀察、分析,并通過偏化學計量比

3、等手段對材料的熱電性能進行了優(yōu)化和研究,取得了以下主要成果:
　　 1.采用液氮淬火結合熱壓燒結方法制備了(GeTe)x(AgSbTe2)100-x(x=75,80,85,90)塊體熱電材料。利用透射電鏡觀察材料的微觀組織,發(fā)現(xiàn)樣品中存在大量尺度在50.100 nm的晶粒。在晶粒中含有大量原位析出的富Ag-Sb納米點嵌在基體中,納米點尺度在2-10 nm。在基體中還彌散分布著納米尺度的超晶胞區(qū)域,大小約10-20 nm,與基體界

4、面為共格界面。這種超晶胞區(qū)域是由于Ag-Sb有序取代Ge造成的。這些原位的納米結構增加材料內部界面密度和相關尺度聲子的散射幾率,對材料聲子熱導率的降低起到積極作用。材料的熱導率和聲子熱導率都很低,室溫下僅有0.8-0.9 Wm-1K-1。材料的最大熱電優(yōu)值出現(xiàn)在x=75樣品,在730 K達到1.53。
　　 2.制備了(GeTe)x(AgSbTe2)100-x(x=80,85)塊體熱電材料,研究了其熱電性能。研究發(fā)現(xiàn)材料為完全固

5、溶體,隨著AgSbTe2固溶量的增加,材料的載流子濃度、電導率和熱導率降低,Seebeck系數(shù)增加。材料的室溫聲子熱導率僅有0.9-1.0Wm-1K-1,比純GeTe的聲子熱導率下降了60％。材料的最高熱電優(yōu)值在723 K達到1.5。
　　 3.制備了原位納米調制結構、具有不同Ag-Sb比的(GeTe)x(AgySb2-yTe3-y)100-x(x=80,85.90;y=0.5-1.4)熱電材料。樣品中存在大量由微區(qū)成分波動引起

6、的結構調制,調制周期不統(tǒng)一,約2.10 nm,晶格錯配度2-5％,在結構調制周圍存在大量應力-應變區(qū)。樣品內存在多種類型界面,如小角晶界、孿晶界和反相疇界等。這些原位形成的結構調制與界面可以增加中低頻聲子的散射效應,降低材料的熱導率。實驗數(shù)據(jù)證明,通過調控Ag/Sb比例,可優(yōu)化材料的熱電性能。最高熱電優(yōu)值為1.7@748 K。
　　 4.采用熔體旋甩結合熱壓燒結方法制備了(GeTe)x(AgySb2-yTe3-y)100-x(x

7、=80;y=0.5-1.4)高性能熱電材料。由于較快的冷卻速度和較大過冷度,熔體在非平衡態(tài)下凝固,獲得更精細的微觀結構。透射電鏡分析結果顯示,材料中存在比熔煉樣品更精細的納米結構。樣品中存在兩種納米尺度的原位調制結構,周期分別為5-20 nm和＜1 nm。樣品中存在十幾納米大小的超晶胞納米區(qū)和高密度刃型位錯。這種多尺度的納米結構對較寬頻率范圍內的中低頻聲子散射明顯加強,對聲子熱導率的降低起到積極作用。熱導率測試結果表明,熔體旋甩樣品擁有