不同原子比对固相反应制备方钴矿电学性质的影响

方钴矿(CoSb_3)是较为优秀的中温区热电材料之一,具有较好的应用前景。本研究采用高温固相反应法,在923 K、保温时间约30min的条件下,制备了钴锑不同原子比的方钴矿,考查了室温附近钴元素减小量对方钴矿的微观结构和电学性质变化影响。研究结果表明,当钴元素的减小量x≤0.5时,仍然可以合成单相的方钴矿,而当钴元素的减小量继续增大时,方钴矿的合成效果会急剧变差;样品Co_(4-x)Sb_(12)具有许多微气孔,随着钴元素的减小,样品的结晶度明显变差,微气孔的数量和尺寸也明显增多;样品Co_(3.9)Sb_(12)获得的最大Seebeck系数的最大绝对值为375μV/K,样品Co_(3.7)Sb_(12)最小电阻率为74 mΩ·cm,样品Co_(3.5)Sb_(12)获得的最大功率因子为77.7μW/(m·K~2)。     

填充方钴矿热电材料:从单填到多填

以传统窄带半导体材料为主要对象的高性能热电材料研究近年来发展迅速并取得了明显进展.本文以含本征晶格孔洞的笼状结构CoSb3基方钴矿化合物的相关研究为主线,综述近年来热电材料的主要研究进展,并分析了杂质原子在孔洞中部分填充特性为基础的填充方钴矿化合物的结构调控、电-热输运性能协同调控、以及热电性能优化的内在物理机制及其实验实现.在本征孔洞结构的方钴矿化合物中引入部分填充的杂质原子,通过局域声子散射而显著降低晶格热导率,同时可以优化电输运性能.研究还发现这样一类特殊结构化合物的电热输运性能可以通过选择不同价态与不同局域振动频率的多种不同填充原子的组合填充而实现可以近乎独立地调控与优化,热电优值达到1.7@850K,实现了明显具有声子玻璃-电子晶体特征的一类高性能热电材料.研究工作一方面明显提高了填充方钴矿材料的热电性能,另一方面加深了相关物理机制的理解,对进一步的新热电材料体系的设计具有指导意义.     

填充方钴矿热电材料的研究进展

热电转换是一种新兴的清洁能源技术, 可实现热能和电能的直接转换, 提高能源的使用效率, 降低石化能源的消费比重, 减少二氧化碳的排放, 达到保护环境的目的,相关研究在国际上引起了广泛关注. 由于材料中电和热的输运强烈地耦合在一起, 难以独立调控, 热电材料的性能优值长期徘徊在1.0左右, 仅在室温制冷等若干特殊领域获得了小规模应用. 有效提高热电材料性能已成为热电转换技术工业应用与热电材料科学领域亟待解决的热点与难点.科学家G. Slack提出理想化热电材料应该具有“声子玻璃-电子晶体”的特征, 相关研究成为近年来热电材料领域最重要和最具有代表意义的方向. 一些具有孔洞结构的笼状化合物, 如方钴矿材料被认为可能有“声子玻璃-电子晶体”特性, 而得到了广泛的关注; 但该笼状化合物中与输运性能相关的诸多物理机制, 以及与“声子玻璃-电子晶体”特征之间的关联尚不清楚, 限制了对该类材料的进一步认识和性能优化.     

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.     

Science Letters：Solvothermal synthesis of nanosized CoSb3 skutterudite

Nanostructures enhance phonon scattering and improve the figure of merit of thermoelectric materials. Nanosized CoSb3 skutterudite was synthesized by solvothermal methods using COC12 and SbCl3 as the precursors. A “two-step“ model was suggested for the formation of CoSb3 based on the X-ray diffraction analysis. The first step is the formation of cobalt diantimonide in the earlier stage during the synthesis process. Diantimonide was then combined with antimony atoms to form the skutterudite structured triantimonide, CoSb3, in the later stage of the synthesis process as the second step. The synthesized CoSb3 powders consist of irregular particles with sizes of about 20 nm and sheets of about 80nm.     

压力对稀土元素Sm填充方钴矿化合物热电性能的影响

通过高温高压方法合成出稀土元素Sm填充n型方钴矿化合物SmxCo4Sb12（0〈x〈1）,并考察了在室温下Sm填充率对热电性能的影响规律.结果表明：SmxCo4Sb12化合物表现为n型传导;电阻率和Seebeck系数随着合成压力的增加逐渐增加;晶格热导率随着Sm填充分数的增加而降低,在Sm填充量为0.5时达到最小值.室...