摻雜改性優(yōu)化GeTe合金熱電性能的研究.pdf

1、借助材料的溫差電效應(yīng)，熱電器件能夠?qū)崿F(xiàn)熱能和電能之間的直接轉(zhuǎn)換。由于熱電器件具有無(wú)污染、可靠性高、無(wú)噪音以及使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在緩解能源危機(jī)和環(huán)境污染等問(wèn)題上有潛在的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)效益。雖然有上述優(yōu)點(diǎn)，但是其熱能和電能之間的轉(zhuǎn)換效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換方式，優(yōu)化材料的熱電性能迫在眉睫。GeTe合金是一種典型的中溫?zé)犭姴牧?，作為窄禁帶半?dǎo)體，具有優(yōu)良的熱電性能，有望取代有毒的PbTe材料。由于純GeTe存在大量的Ge空位，使空穴濃度超過(guò)

2、1021 cm-3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常見(jiàn)材料優(yōu)化載流子濃度，因而其ZT值僅1.2左右。為進(jìn)一步提高GeTe合金熱電性能，本文嘗試通過(guò)摻雜調(diào)整載流子濃度，同時(shí)考察其對(duì)晶格熱導(dǎo)率的影響。
　　等價(jià)電子摻雜方面：本文在GeTe基體中分別摻雜Zn、Pb、Cd等元素，期望摻雜原子占據(jù)Ge空位以降低載流子濃度，合理優(yōu)化 Seebeck系數(shù)、電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率三者關(guān)系，達(dá)到提高材料 ZT值的目的。通過(guò)高能球磨結(jié)合直流快速熱壓，制成了ZnxGe1-xTe（x

3、=0.01，0.02，0.03，0.04）、Zn0.03PbyGe0.97-yTe（y=0.01，0.03，0.05，0.07，0.09）和CdzGe1-zTe（z=0.01，0.02，0.03，0.04）系列塊體熱電材料。結(jié)果顯示，摻雜上述元素時(shí)，功率因子改善并不明顯，但是熱電性能優(yōu)化都取得了一定的效果，ZT的提高主要源自于熱導(dǎo)率的降低。當(dāng)x=0.02，溫度為773 K時(shí)，ZnxGe1-xTe樣品獲得最優(yōu)的熱電性能，其ZT值達(dá)到了1.

4、4。當(dāng)y=0.07，溫度為773 K時(shí)，Zn0.03PbyGe0.97-yTe合金具有最優(yōu)的熱電性能，ZT值則高達(dá)1.63。當(dāng)z=0.04，溫度為773 K時(shí)，CdzGe1-zTe樣品具有最優(yōu)的熱電性能，ZT值達(dá)到了1.53。
　　不等價(jià)電子摻雜方面：已有報(bào)道表明，Al摻雜Ⅳ-Ⅵ化合物（PbSe、SnTe）能夠形成共振能級(jí)，并且顯著優(yōu)化了材料的熱電性能。但在同族GeTe合金中，Al摻雜對(duì)熱電性能的影響還未被關(guān)注過(guò)，本文通過(guò)球磨和快

5、速熱壓制備了AlrGe1-rTe（r=0.01，0.02，0.03，0.04，0.05）并考察了摻Al對(duì)GeTe性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，摻雜Al元素，降低了 GeTe合金的電導(dǎo)率，一定程度提高了 Seebeck系數(shù)，功率因子也得到優(yōu)化。此外， Al原子進(jìn)入GeTe晶格，引起晶格畸變，導(dǎo)致熱導(dǎo)率降低，因而熱電性能得到比較大的改善。當(dāng)r=0.04，溫度為773 K時(shí)，AlrGe1-rTe的熱電優(yōu)值系數(shù)達(dá)到最大，為1.47。
　　本文研究