玻璃態(tài)窄帶隙碲基熱電材料的制備與性能研究.pdf

1、隨著化石能源的日益枯竭，全球范圍內(nèi)環(huán)境污染和能源短缺所帶來的問題和沖突日益嚴(yán)峻。因此致力于尋找新型的清潔安全能源、提高廢熱的回收再利用成為當(dāng)前的主要問題。熱電材料作為一種能夠?qū)崿F(xiàn)電能和熱能相互轉(zhuǎn)換的新型清潔能源材料，近來受到各國科研工作者們的重點(diǎn)關(guān)注。
　　研究表明材料的低維化、納米化能夠有效地降低熱電材料的熱導(dǎo)率進(jìn)而提高其熱電性能。這預(yù)示著具有無序結(jié)構(gòu)特征的玻璃態(tài)有可能為制備新型高性能的熱電材料提供新的思路。近年來，碲基玻璃因其

2、強(qiáng)的金屬性以及大的原子量呈現(xiàn)出極低的熱導(dǎo)率、高Seebeck系數(shù)以及可調(diào)控的高電導(dǎo)率成為目前玻璃態(tài)熱電材料的最佳研究對(duì)象。但目前開發(fā)的Ge-Te基和As-Te基等玻璃體系，在室溫附近的電性能非常小，中溫時(shí)易發(fā)生相變，熱穩(wěn)定性較差，且多數(shù)含有具有較高毒性，在一定程度上限制了其實(shí)際的應(yīng)用。相比之下，具有更廣泛應(yīng)用價(jià)值和前景的熱電材料屬于窄帶隙碲基半導(dǎo)體。然而對(duì)于窄帶隙碲基熱電材料非晶形成能力很弱，很難制備出純的玻璃態(tài)化合物。因此，如何實(shí)現(xiàn)窄

3、帶隙熱電材料的玻璃化是制約其發(fā)展的主要科學(xué)問題。
　　本文針對(duì)窄帶隙碲基合金提出開展玻璃轉(zhuǎn)變與玻璃態(tài)熱電性能的實(shí)驗(yàn)研究，探索制備高性能玻璃態(tài)碲基熱電材料的新途徑。研究思路是：提出從熱力學(xué)角度出發(fā)選擇具有低熔化熵的碲化物作為合金組成，在動(dòng)力學(xué)上構(gòu)建形成具有深共晶溫度的二元體系，實(shí)現(xiàn)在降低晶化熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力的同時(shí)提高液體中晶化所需的原子重排的難度，然后利用熔體甩帶技術(shù)控制冷卻速率來制備多組元碲基窄帶隙非晶半導(dǎo)體材料，從而實(shí)現(xiàn)窄帶隙碲基的

4、非晶化。主要包括以下內(nèi)容：
　　基于熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的綜合考慮這一思路，成功設(shè)計(jì)制備出了新型Ga2Te3-SnTe碲基非晶體系，利用X射線衍射分析了不同組分的非晶含量，用DSC分析了熱力學(xué)特征參量，綜合考察了共晶體系的組成、熔化熵、共晶點(diǎn)溫度等對(duì)非晶形成的影響。闡明這些共晶體系中的玻璃形成規(guī)律，并確定了體系的玻璃形成區(qū)間以及最佳玻璃形成組分點(diǎn)。這一新體系的發(fā)現(xiàn)，不僅拓寬了碲基非晶半導(dǎo)體的研究范圍，而且為熱電材料的發(fā)展提供了更多的選擇

5、。
　　采用熔體旋甩結(jié)合放電等離子燒結(jié)（SPS）技術(shù)，通過對(duì)燒結(jié)工藝參數(shù)調(diào)整優(yōu)化，制備得到了高度致密化的完全非晶塊體材料。利用熱電性能測試儀對(duì)獲得的塊體樣品的熱導(dǎo)率、電導(dǎo)率、Seebeck系數(shù)等熱電參數(shù)進(jìn)行了測試和分析。
　　利用 DSC技術(shù)采用多種晶化動(dòng)力學(xué)方程對(duì)(Ga2Te3)x(SnTe)100-x(x=32,34,36 mol％)樣品進(jìn)行了非等溫晶化動(dòng)力學(xué)研究，確定了樣品的晶化動(dòng)力學(xué)參數(shù)，如晶化激活能、Avrami指