n型CaMnO3基氧化物热电材料研究进展

n型CaMnO3基氧化物是一种具有优异高温热电性能的n型热电材料体系,从CaMnO3基热电氧化物晶体结构、物性、电子结构、电热传输理论以及Ca位掺杂、Mn位掺杂、Ca和Mn位复合掺杂优化其电热输运性能的角度,综述了n型CaMnO3基热电氧化物的最新研究进展,给出了存在的问题和今后研究的方向.     

新合成Zintl相化合物Ba_3Sn_3Sb_4的基本物理性质和热电特性

采用第一性原理和玻尔兹曼理论相结合的方法对最近合成的Zintl相化合物Ba_3Sn_3Sb_4的晶体结构、电子结构、弹性性质和热电特性进行了研究.本文确定了合成Ba_3Sn_3Sb_4时对各元素化学势的要求,计算的弹性常数和力学稳定判定标准表明Ba_3Sn_3Sb_4具有力学稳定性.差分电荷密度显示Ba与Sn-Sb组成的网格[Sn_3Sb_4]~(6-)之间成离子键,网格内Sn-Sb之间为共价键,两键共存说明Ba_3Sn_3Sb_4是典型的Zintl相化合物.能带结构的计算表明Ba_3Sn_3Sb_4是带隙约为0.29 eV的间接带隙半导体,导带区域的多能谷特征有利于材料的热电特性.在电子结构的基础上,本文采用Bolzmann理论计算了Ba_3Sn_3Sb_4的热电特性.由于纯相Ba_3Sn_3Sb_4是n型半导体, p型掺杂的塞贝克系数在T=500和700 K时随载流子浓度增加从负值变为正值,而对应的ZT值从正值减小到零,再从零变到最大值0.09. n型掺杂Ba_3Sn_3Sb_4时,由于热激发效应随温度增加而增强,少子对塞贝克系数的贡献增大,在T500 K时展现出双极化效应;当载流子浓度为1.14×10~(20)cm~(-3),温度为700 K时,最大ZT值为0.26,几乎是p型掺杂时的3倍.     

Bi_2Te_3热电材料的研究现状与发展趋势

随着人类科学技术的进步,各种热电材料不断被开发利用。Bi_2Te_3作为室温条件下性能最好的热电材料,多年来一直是热电领域的研究热点。本文将在简要介绍热电材料研究背景的基础上,概述Bi_2Te_3材料的结构和性质,综述Bi_2Te_3基热电材料的最新研究进展以及提高其热电性能的研究方法,主要包括提高载流子迁移率、增大材料Seebeck系数以提高功率因子,增加不同波长声子散射以降低晶格热导率两方面。最后对Bi_2Te_3基材料目前的研究热点以及未来可能的重点研究方向做简单讨论,同时展望了Bi_2Te_3基热电材料未来的发展趋势。     

Bi再掺杂对Mg_2Si_(0.985)Bi_(0.015)热电材料性能的影响

本文考察Bi再掺杂对Mg_2Si_(0.985)Bi_(0.015)基体的组成、微观结构以及电子输运与热导率等方面的影响。采用X线衍射仪(XRD)和电子能谱(EDS)等对样品进行表征分析。结果表明:再掺杂的Bi除部分进入Mg_2Si_(0.985)Bi_(0.015)基体外,其余在晶界处生成Mg3Bi2。由于Mg2Si中Bi量的提高使得载流子浓度增加,进而增大样品的电导率,而塞贝克系数受载流子浓度变化和杂相的影响甚微。热导率则因Bi量增加和杂相的存在略有降低。在873 K时,2%Bi再掺杂样品的最高热电优值(ZT)为0.78,比未再掺杂样品提升约10%,说明Bi再掺杂对Mg2Si基体材料热电性能有一定提升作用。     

化学镀Zn对n型Bi2Te2.4Se0.6合金热电性能的影响

为了研究化学镀Zn对n型Bi2Te2.4Se0.6材料的热电性能的影响及作用机制,采用化学镀法制备n型Zn/Bi2Te2.4Se0.6纳米粉体,并结合放电等离子烧结烧制成块体材料,n型Zn/Bi2Te2.4Se0.6热电材料的Seebeck系数(SS)提升,热导率显著降低,其中0.15％Zn/Bi2Te24Se06的热导率最低,在371 K达到最小值0.74 W/(m·K),这是由于载流子浓度的降低引起电子热导减小,以及第二相和晶界增多引起声子散射造成晶格热导降低.结果表明,0.15％Zn/Bi2Te2.4Se0.6的热电优值(ZT)有很大的提升,在421 K达到1.06.     

n型氧化物热电材料研究进展

氧化物热电材料在空气中具有较高的热稳定性和化学稳定性,在高温热电领域具有重要应用前景.与p型氧化物热电材料相比,n型材料的ZT值普遍偏低,制约了氧化物热电器件的发展.本文详细介绍了目前几种代表性n型氧化物热电材料的研究进展,分析了这几种材料的制备方法及电、热调控手段对其热电性能的影响和物理机制.在此基础上,提出了n型氧化物热电材料性能进一步优化的思路.     

一步合成法制备Mg_2Si_(1-x)Sn_xBi_y热电材料及其性能表征

基于重带轻带收敛简并和合金散射,通过调整掺杂可以使Mg2Si1-xSnx材料在增加态密度的同时保证载流子迁移率不下降,进而获得较高的热电性能。以氢化镁代替单质镁粉,以重金属Bi作为施主原子,采用一步合成工艺制备出高纯度n型Mg2Si1-xSnxBiy基半导体热电材料;通过改变反应物的配比,研究了Si/Sn比和Bi的含量对Mg2Si1-xSnxBiy热电材料能带结构和热电性能的影响。结果表明,本热电材料断口呈现多晶板条层状结构,层与层之间的平均间距小于200nm;Sn含量的增加有利于通过增加晶格畸变降低晶格热导;适量的Bi则可通过施主掺杂有效提高其电性能,最终提高其综合热电优值;当温度为775 K时,Mg2Si0.6Sn0.4Bi0.01的热电优值达到1.29。本合成法工艺简单,产物成分易于控制,可成功制备出纯净的纳米复合Mg2Si1-xSnxBiy热电材料。     

Bi2Te3基热电材料的电输运性能研究进展

Bi₂Te₃基化合物是热电领域的代表性材料之一,被广泛应用于余热发电、固态制冷、温度探测等方面.该类材料具有复杂的能带结构,利用强自旋轨道和能带反转,有望对Bi₂Te₃基材料的热电性能实现优化.通过分析对比近些年Bi₂Te₃基材料的能带结构计算数据与部分实验结果,总结了Bi₂Te₃、N型Bi₂Te_3-xSe_x和P型Bi_2-xSb_xTe₃材料的能带结构的特点,影响能带结构以及电输运性能的关键因素.相关结论将为提高Bi₂Te₃基材料的热电性能提供依据.     

笼状热电材料p型和n型Ba8Ga16Ge30单晶之间载流子的调谐研究

本研究首次实现了p型和n型Ba_8Ga_(16)Ge_(30)(BGG)单晶之间载流子类型的相互转换.采用以对方单晶为前驱体的再合成调制方法,再次制备了Ba_8Ga_(16)Ge_(30)(BGG)单晶笼状热电材料,利用物理属性测量系统(PPMS)测量单晶样品的变温电阻率并对其载流子类型进行了评价.结果表明:p型和n型Ba_8Ga_(16)Ge_(30)(BGG)单晶之间载流子类型可以成功地进行相互转换,且n型转换为p型样品时前驱体状态及成分配比的不同可导致改性后样品电阻率及载流子浓度不同.以单晶为前驱体的晶体再生长以及载流子调节对于制备珍贵同位素替代的大块单晶具有指导意义,有益于材料内部笼内及笼上原子的非简谐振动研究,并对热电材料的再生利用也具有重要意义.     

N型碳纳米管基热电材料研究进展

科技的不断发展对于能源供给方式提出了新的要求和挑战。在人体与外界环境温度差的驱动下,热电材料可以实现持续稳定的电能输出,能有效缓解能源危机。其中,碳纳米管(CNT)独特的结构使其具有优异的电学和力学性能以及较大的表面积,在热电材料中具有明显的优势,n型CNT在热电材料领域的应用也越来越广泛。围绕CNT基热电材料,首先介绍了热电材料的基本概念,接着概述了CNT的分类及其结构,重点介绍了n型CNT基热电材料的制备策略：掺杂和复合,指出了增强n型CNT的稳定性仍是未来的研究方向。     

Mg2Si热电材料力学性能的分子动力学模拟研究:纳孔效应

在热电材料里引入纳孔能有效降低材料的热导率从而提高其热电性能,但纳米孔洞的引入也可能影响材料的力学性能。以圆柱孔理想单晶Mg_2Si块体热电材料为研究对象,建立不同孔径、孔隙率以及分布形式的纳孔Mg_2Si材料的原子模型,采用分子动力学模拟方法研究不同模型下材料的拉伸力学性能。结果表明:①纳孔的引入造成Mg_2Si热电材料的极限应力和弹性模量的降低,而纳孔孔隙率、分布形式都会影响到材料的极限应力,而材料的弹性模量主要与孔隙率有关,孔隙率越大,材料的弹性模量越低;②纳孔的引入不仅减小材料的有效荷载面积,更重要的是造成材料内部应力分布不均匀,而材料所能承受的拉伸方向的应力极限是一定的,因而当纳孔Mg_2Si热电材料平均应力远小于完整块体的极限应力时,材料内部最薄弱的地方的应力就已达到其极限应力,造成材料的破坏。     

Te和Y共掺杂提高n-Mg3.2Sb1.5Bi0.5热电性能的研究

Mg₃Sb₂材料是优秀的中温区热电材料，具有极低的热导率，然而其载流子浓度偏低。通过机械合金化法结合放电等离子烧结(SPS)技术制备n型Mg_3.2Y_0.05Sb_1.5Bi_0.5Te_δ样品，并研究了其热电传输性能。结果表明阴离子位掺杂元素Te可以进一步提高阳离子位掺杂的Mg_3.2Y_0.05Sb_1.5Bi_0.5材料的载流子浓度。载流子浓度从5.02×10¹⁹ cm^-3增加到9.76×10¹⁹ cm^-3,接近理论预测的最佳值，同时功率因子也从10.89μW·K^-2·cm^-1提高到15μW·K^-2·cm^-1.此外，Te元素进入晶格后，材料的晶格热导率也有大幅的降低，从0.92 W·m...     

成型压力和掺杂对Na1.4Co2O4基材料性能的影响

采用溶胶-凝胶法制备了Na位掺杂Sr和Li(掺杂量分别为0.1,0.2,0.3和0.4)的Nal.4Co2O4基热电材料,研究了成型压力和掺杂对Nal.4Co2O4基材料电导率、Seebeck系数和功率因子等热电性能的影响.采用XRD分析了NaxCo2O4基热电材料的相组成.研究结果表明:掺杂Sr和Li制备的Nal.4...     

瞬态热冲击下热电材料梁的温度场及热应力分析

基于热电材料特性,通过热电平衡方程和本构方程,得出热电材料梁瞬态模型的控制方程.采用分离变量法结合模型的初始条件和边界条件求出热电材料梁的非线性瞬态温度场,根据热应力理论分析求出瞬态热应力场,利用数学软件MATLAB给出了热电材料梁的呈抛物线分布的瞬态温度场和瞬态热应力场的特性曲线,研究了热冲击载荷下的热电材料梁在热电耦合环境中的热应力分析.讨论了不同时刻温度场和应力场随厚度的变化,以及对比p型和n型Bi₂Te₃热电材料梁热应力特性曲线.结果表明:瞬态温度场受其瞬态项的影响随厚度增加有增有减;瞬态温度场和瞬态热应力场随时间的增加最终趋于稳态不再随时间变化;趋于稳态后的Bi₂Te₃热电材料梁的热应力最值大于瞬态下的热应力最值;p型Bi₂Te₃热电材料梁的热应力总是大于n型Bi₂Te₃热电材料梁的热应力.     

Al-Ti-C对Mg_2Si/Al基复合材料组织及性能的影响

针对熔体反应法制备的原位自生Mg_2Si/Al基复合材料组织粗大而导致合金性能降低现象,研究了添加不同质量的Al-Ti-C晶粒细化剂(0,0.1,0.3,0.5,1.0,3.0,5.0,10.0 wt%)对Mg_2Si/Al基复合材料组织和性能的影响。结果表明,Al-Ti-C可使Mg_2Si/Al基复合材料中的Mg_2Si颗粒细化。当添加量为0.5 wt%时,Mg_2Si颗粒由粗大菱角状变为细小圆滑状;但继续添加时会出现细化效果衰退现象。当Mg_2Si晶粒细小、分布均匀时,Mg_2Si/Al基复合材料的硬度高,摩擦性能更好。     

In和Pr双填充方钴矿的电子结构及电传输性能研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理方法,计算了未填充型、In单填充型、In和Pr双填充型CoSb_3方钴矿热电材料的电子结构.结果表明:In和Pr双填充CoSb_3方钴矿热电材料可以较In单填充的材料进一步提升费米能级从而有更高的电导率σ,In和Pr双填充CoSb_3方钴矿热电材料导带底有In的5p和Pr的6s轨道产生的局部共振态叠加,进而使得其Seebeck系数更高.由于电导率和Seebeck系数的提升,使得In和Pr双填充能有效提高CoSb_3的功率因子.计算结果很好地解释了实验现象,阐述了双填充方式优化CoSb_3基方钴矿材料的热电性能内在物理机制.     

Sn-Sb-Te三元合金相图200℃等温截面

【目的】获得在SnTe基热电材料中掺杂Sb后的相关系。【方法】采用X-ray Diffraction Analysis(XRD)、Scanning Electron Microscope(SEM)及Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy(EDS)对合金样品进行测试,绘制Sn-Sb-Te三元系图200℃等温截面并进行相关系分析。【结果】Sn-Sb-Te三元体系200℃等温截面由3个单相区、5个两相区和5个三相区组成。其中,5个三相区分别是Sb_2Te_3+Te+SnSb_2Te_4、SbTe+SnSb_2Te_4+Sb_2Te_3、SnTe+δ-Sb_2Te+Sb、SnTe+SnSb+Sb和SnTe+SnSb+Sn。200℃时,Sb元素在SnTe相中的固溶度为3.57at.%;此外,在200℃下Sn-Sb-Te三元系中出现文献报道的SnSb_2Te_4三元相。【结论】通过合金法测定了Sn-Sb-Te三元合金相图在200℃的相平衡关系,为进一步开发SbTe基热电材料提供有益参考。     

3D打印技术制备热电发电器件

正热电材料是通过固体中的载流子(空穴或电子)输运来实现热能和电能之间相互直接转换的一种环境友好型功能材料。热电制冷和热电发电的理论基础分别是Peltier效应(图1a)和Seebeck效应(图1b)~([1])。通常材料热电性能的优劣是由无量纲热电优值ZT来衡量(ZT=S~2σT/κ,其中S是材料的Seebeck系数;σ和κ分别为材料的电导率和热导率;T为绝对温度)~([2])。但是上述公式中的Seebeck     

石墨烯复合β-Zn4Sb3材料的热电性质

将不同比例的石墨烯粉末和β-Zn_4Sb_3粉末混合,通过热压法制备出复合材料样品,并对其结构和热电性质进行检测. X射线衍射结果表明,样品的主要成分仍然是β-Zn_4Sb_3相,晶粒尺寸随石墨烯浓度的增加略有减小.这说明石墨烯浓度在5.0%以内时对样品的物相形成没有明显影响.另外,复合石墨烯后样品的Seebeck系数变化不大,但电导率降低、热导率略有增大,从而使热电优值有所降低,主要是由于石墨烯的掺入在样品中引入了电子补偿效应,使原来受主能级上的空穴减少,进而降低了样品中的载流子浓度,同时也改变了β-Zn_4Sb_3中Zn原子无序结构.     

球磨工艺调控碲化铋基材料微结构及热电性能研究

碲化铋基化合物是室温附近性能最佳的热电材料,在余热回收以及固态制冷领域具有重要的应用价值. 其主要的制备方式是球磨法,各类参数的细微变化都可能影响材料的微结构和热电性能. 球磨时间作为重要的球磨参数既能影响粉末粒径的细化,也对材料的热电性能有所调控,因此亟需逐步分析球磨时间对晶体结构、粒径尺寸及产物热电性能的影响. 本文采用恒定的球磨转速,调节不同球磨时间制备碲化铋基材料. 通过晶体结构及粉体粒径的分析发现了晶粒对球磨时间的响应. 后续热电性能测试结果表明,增加球磨时间后粒径发生变化并导致了电子、声子输运模式的协同改变. 最终,有效提升了n型与p型碲化铋的最大ZT值,分别达到了0.91和1.11. 本研究工作系统总结了球磨工艺中关键参数对碲化铋材料微结构及热电性能的影响,为粉末冶金及热电学的交叉融合及热电转换技术的商业化应用提供了实验和理论参考.