p型Mg2(Si,Sn)基化合物的熔體旋甩制備及其熱電性能研究.pdf

1、在全球能源危機及環(huán)境惡化的影響下，世界各國研究者致力于探索出高效環(huán)保的清潔能源，如水利發(fā)電，太陽能電池等已廣泛應用于生活中。熱電材料是一種近年來發(fā)展迅速且環(huán)境友好的半導體功能材料，其可以實現(xiàn)熱能與電能之間的可逆轉換。由熱電材料制成的器件可以用來溫差發(fā)電和制冷，此類器件具有體積小、易于維護、安全可靠、無噪聲、清潔環(huán)保等眾多優(yōu)點，目前已廣泛應用于航天、微電子及醫(yī)療器件等領域，高效的熱電器件需要性能優(yōu)異的n型和p型材料配對使用。熱電材料Mg2

2、(Si,Sn)基化合物以元素儲量豐富、價格低廉、無毒無污染等眾多優(yōu)點而備受研究者青睞，是有著重要應用前景的中溫熱電材料。目前n型Mg2(Si,Sn)材料的研究已經(jīng)相當成熟，熱電性能也已經(jīng)得到了很好的優(yōu)化，通過適當?shù)膿诫s，n型Mg2Si0.4Sn0.6的熱電優(yōu)值ZT可達1.55。但是，熱電研究者對p型Mg2(Si,Sn)的熱電性能的研究仍然較少，最大ZT值始終未突破0.5。因此，開展p型Mg2(Si,Sn)基熱電材料的研究，具有重要的科學

3、意義和應用價值。
　　就含Mg元素的化合物在制備中易揮發(fā)易氧化的難題，本文采用自制的有保護氣氛的熔體旋甩設備結合放電等離子燒結技術，實現(xiàn)了在短時間內(nèi)制備出單相、結構納米化、成分均勻、以及Mg含量精確控制的p型Mg2(Si,Sn)基熱電材料。本文分別利用Ag元素和Li元素摻雜，將本征n型Mg2Si0.4Sn0.6轉變成了p型，并系統(tǒng)研究了不同的摻雜元素對p型Mg2Si0.4Sn0.6化合物熱電性能的影響；得到了最優(yōu)的組分并且優(yōu)化了熱

4、電性能；同時探究了熔體旋甩技術對產(chǎn)物微結構、形貌及在改善材料熱電性能方面的影響；并且深入研究了產(chǎn)物微觀結構與材料電學性質(zhì)及熱學性質(zhì)之間的內(nèi)在聯(lián)系。具體的研究內(nèi)容和實驗結果如下：
　　①利用放置于Ar氣保護氛圍中的自制熔體旋甩設備結合放電等離子燒結
　　技術，快速制備出一系列的p型Mg2-xAgxSi0.4Sn0.6(x=0.00,0.01,0.02,0.05,0.07)化合物，該實驗方法不僅克服了Mg2(Si,Sn)制備的難

5、題，而且極大地節(jié)約了產(chǎn)物制備時間，相比于傳統(tǒng)方法制一個樣品要兩天左右，本實驗方法僅僅需要2~3個小時。XRD物相分析表明我們所制備的樣品只有單一相，并無MgO等雜相的存在，驗證了我們實驗方法的有效性。經(jīng)分析熱電性能，化合物的電導率隨Ag元素摻入含量的增加而增加，盡管Seebeck系數(shù)會有所降低，但綜合作用下，功率因子PF得到了提高，其中樣品Mg1.95Ag0.05Si0.4Sn0.6的PF達到最大值~1.03 mW K-2m-1@690

6、K，而該樣品的熱導率也較低，最終其ZT峰值在690K達到~0.45。
　?、诨谌垠w旋甩法的成功使用，繼續(xù)使用該“熔體旋甩結合放電等離子燒結”的方法快速制備Li元素摻雜的p型Mg2(1-x)Li2xSi0.4Sn0.6(x=0.00,0.01,0.03,0.07,0.09)化合物。通過觀察旋甩得到的甩帶的 SEM圖，我們發(fā)現(xiàn)甩帶兩面由于冷卻速度不同，形貌也有很大差別，接觸銅輥的一面要比背離銅輥一面光滑細致很多，經(jīng)過SPS后的樣品晶