SiGe半導體的制備和表征及溫差電偶臂尺寸設計.pdf

1、熱電材料可以有效地進行熱能與電能直接相互轉換，在航天探測、廢熱利用等領域有著可觀的應用前景。其中，SiGe合金有著較好的機械性能、熱穩(wěn)定性和不錯的熱電性能，已經(jīng)在航天用的溫差熱電發(fā)電器有所運用，但是存在的主要問題是ZT值不高，目前報道的最高也是1.15@973K，遠遠低于理論ZT值，從而導致溫差發(fā)電器的輸出功率和轉換效率并不高，遠遠低于傳統(tǒng)發(fā)電器40％的轉換效率。為了解決上述問題，制備高ZT值SiGe合金，設計合適尺寸的溫差電偶臂成了必

2、要的手段。
　　本文首先利用機械合金化（高能球磨）的方法制備分別球磨10h、20h、30h、40h和50h的Si80Ge20B5和Si80Ge20P2熱電材料合金粉末，利用真空熱壓燒結的方法來制備塊狀Si80Ge20B5和Si80Ge20P2合金試樣，然后利用XRD、SEM對塊狀試樣進行微觀組織性能表征發(fā)現(xiàn)，通過球磨p-type和n-type兩種合金均完全固溶。同時，隨著球磨時間的增加，晶粒尺寸逐漸減小，球磨50h的合金試樣晶粒尺

3、寸達到了600nm。最后，對制得的十組試樣進行熱電性能測試分析可知，隨著球磨時間的增加，合金的熱導率逐漸減小，主要因為晶粒尺寸減小，晶界逐漸增多，從而加強了對聲子的散射；同時，隨著球磨時間增加，合金電導率先增加，后減??；最后求得ZT值，p-type SiGe合金在球磨50h時有著最高的ZT值，ZT=0.83@973K；n-type合金在球磨20h時具有最高的ZT值，ZT=1.3@973K。
　　為了確保制得的SiGe合金在高溫、長

4、期以及其他復雜條件下的服役穩(wěn)定性，本文測試和計算了其納米壓痕、維氏硬度、斷裂韌性、耐熱震性和熱穩(wěn)定性。得到Si80Ge20B5合金試樣的彈性模量為197.05GPa，Si80Ge20P2合金試樣的彈性模量為182.76GPa，Si80Ge20B5合金試樣的納米壓痕硬度為15.77GPa，Si80Ge20P2合金試樣的納米壓痕硬度為15.10GPa；同時測了十組試樣的維氏硬度，p-type和n-type合金試樣的維氏硬度都隨著球磨時間的增

5、加而增大，這主要得益于晶粒尺寸減小。計算得到斷裂韌性：p-type SiGe KIC=2.0MPam1/2，n-type SiGe合金KIC=1.8MPam1/2；耐熱震性：p-type RT=455.14W/m，n-type RT=449.56W/m，耐熱震性要優(yōu)于其他熱電材料。對p-type和n-type兩種合金試樣進行TG測試分析，由所得的結果可知，隨著溫度升高，兩種合金均不存在分解和升華的現(xiàn)象，熱穩(wěn)定性很好。
　　為了提高