硅鍺合金高溫?zé)犭娹D(zhuǎn)換性能的研究.pdf

1、目前人們普遍認為，這個世紀是各國太空探索最為激烈的一個世紀，為爭奪空間優(yōu)勢，奪取戰(zhàn)略制高點，各國都在努力開展自己的深空探測計劃?？臻g探測領(lǐng)域的實踐經(jīng)驗證明，放射性同位素溫差發(fā)電器(RTG)是一種最安全、可靠的電源，能夠勝任一些普通電源無法勝任的工作，先進的溫差電源是爭奪空間優(yōu)勢中不可忽視的一項技術(shù)。我國雖然對半導(dǎo)體致冷機理和應(yīng)用研究已經(jīng)具有了一定水平，已有商品器件出售，但對于溫差發(fā)電的研究，則很少涉獵。目前國際上有一些成熟的中低溫區(qū)（<

2、400K）的溫差發(fā)電器產(chǎn)品。這類溫差發(fā)電器的基本上都采用了低溫區(qū)Bi2Te3 基材料，而高溫區(qū)還沒有比較成熟的產(chǎn)品，理論證明高溫區(qū)的主要熱電材料就是SiGe 合金。 本文重點通過在300－1100 K 的溫度范圍內(nèi)研究不同Ge 濃度、不同晶向、不同載流子濃度和不同導(dǎo)電類型的SiGe 合金材料的熱電參數(shù)，尋找到在該溫區(qū)熱電性能最好的SiGe合金參數(shù)，為將來制作以SiGe 合金材料為熱電轉(zhuǎn)換器件、以同位素衰變?yōu)闊嵩吹臏夭畎l(fā)電器提供理

3、論和實驗基礎(chǔ)。 實驗表明，材料的熱電轉(zhuǎn)換效率主要由載流子遷移率和聲子散射程度決定。為了提高Seebeck 電動勢就要求載流子遷移率越高越好。載流子濃度的高低和晶格的有序排列程度是決定Seebeck 系數(shù)絕對值大小的主要因素。實驗中發(fā)現(xiàn)Ge 含量高的單晶Seebeck 系數(shù)絕對值大。而為了降低材料的熱導(dǎo)率則要求聲子散射程度越小越好。實驗中發(fā)現(xiàn)Ge 含量越高，熱導(dǎo)率越低，而且對溫度的敏感程度越明顯。實驗結(jié)果表明隨溫度的升高，Ge 含

4、量20％的樣品的熱導(dǎo)率急劇下降，而其它樣品的熱導(dǎo)率下降程度則不太明顯。 實驗中還發(fā)現(xiàn)，材料的熱電性能具有明顯的各向異性，在其它參數(shù)相同的情況下，<100>方向的高溫轉(zhuǎn)換效率明顯優(yōu)于<111>方向；從導(dǎo)電類型來看，P 型材料的溫差電性能整體高于N 型材料，但從ZT 值隨溫度的變化情況來看，N 型更適合于高溫階段，隨溫度的升高ZT 值也單調(diào)上升。 通過實驗研究也發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)換效率高的SiGe 合金材料其載流子濃度數(shù)量級應(yīng)大于10