(Bi，Sb)-,2-(Te，Se)-,3-系熱電材料的制備及性能優(yōu)化研究.pdf

1、Bi2Te3系化合物是室溫下熱電性能最好的熱電材料之一，已在微電子，光電子器件的冷卻和恒溫、生物芯片、醫(yī)療器材及國(guó)防特種制冷等多種領(lǐng)域有所應(yīng)用。塊體Bi2Te3系化合物的制備通常采用單晶的制備方法，盡管單晶材料的一致取向性使它在某個(gè)方向上的性能優(yōu)于多晶材料，但單晶材料容易沿解理面發(fā)生斷裂，機(jī)械加工性能差，為后續(xù)的模塊化加工帶來了困難，造成了大量不必要的浪費(fèi)。因此，具有各向同性和微細(xì)結(jié)構(gòu)的多晶Bi2Te3系材料受到了研究者的青睞，制備多晶

2、材料的粉末冶金方法受到了重視，在保證多晶材料機(jī)械性能的同時(shí)最大限度的提高其熱電性能，成為Bi2Te3系熱電材料研究的重點(diǎn)。
　　 本文采用機(jī)械合金化(MA)結(jié)合不同的成形工藝，包括熱壓(HP)、等離子體活化燒結(jié)(PAS)或等通道轉(zhuǎn)角擠壓(ECAE)制備了p型和n型Bi2Te3系熱電材料，通過X射線衍射(XRD)，場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微分析(FE-SEM)，X射線能譜(EDS)，差熱分析(DTA)，透射電子顯微分析(TEM)，正電子湮

3、滅壽命分析(PAT)，紅外光譜分析(FTIR)，Seebeck系數(shù)，電阻率，載流子濃度，遷移率及熱導(dǎo)率測(cè)試等多種分析檢測(cè)手段，研究了成形工藝條件，摻雜種類及摻雜量對(duì)Bi2Te3系合金的微觀結(jié)構(gòu)和熱電性能的影響。
　　 通過分析Bi2Te3系熱電材料的性能優(yōu)化設(shè)計(jì)方案及國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)，提出了本文的研究目的、意義及研究?jī)?nèi)容?？疾炝薓A工藝對(duì)Bi2Te3系化合物合金化過程的影響，優(yōu)化了合成Bi2Te3系熱電材料的MA工藝條

4、件。研究了HP和PAS工藝中燒結(jié)時(shí)間、燒結(jié)溫度對(duì)p型Bi0.5Sb1.5Te3和n型Bi2Te2.85Se0.15合金微觀結(jié)構(gòu)和熱電性能的影響，發(fā)現(xiàn)燒結(jié)體內(nèi)晶粒的基本面(0 0 l)沿垂直于壓力方向出現(xiàn)擇優(yōu)取向。室溫下，p型Bi0.5Sb1.5Te3和n型Bi2Te2.85Se0.15的PAS燒結(jié)樣品的最大熱電優(yōu)值分別為2.85×10-3K-1和1.8×10-3K-1，p型Bi0.5Sb1.5Te3和n型Bi2Te2.85Se0.15合

5、金的HP燒結(jié)樣品最大熱電優(yōu)值分別為2.84×10-3K-1和1.4×10-3K-1。
　　 考察了HP和PAS工藝中Sb2Te3名義成分變化及Te摻雜對(duì)p型合金(Bi2Te3)1-x(Sb2Te3)x微觀結(jié)構(gòu)和熱電性能的影響，首次在Bi2Te3系合金中發(fā)現(xiàn)了孿晶亞結(jié)構(gòu)和調(diào)幅組織，增強(qiáng)了缺陷對(duì)聲子的散射效應(yīng)，降低了合金的晶格熱導(dǎo)率。首次采用正電子湮滅譜學(xué)分析了成分為Bi0.4Sb1.6Te3的單晶試樣、HP和PAS燒結(jié)樣品中晶格缺

6、陷濃度的高低，單晶試樣的空位濃度要明顯低于HP燒結(jié)樣，PAS燒結(jié)樣介于兩者之間。FTIR分析表明，隨Sb2Te3含量增加，(Bi2Te3)1-x(Sb2Te3)x合金的能隙從0.26eV降低到了0.23eV。PAS工藝中，當(dāng)名義成分為(Bi2Te3)0.2(Sb2Te3)0.8時(shí)得到了最大熱電優(yōu)值，Z＝5.26×10-3 K-1，這是目前所有文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)的塊體Bi2Te3系合金中熱電性能的最高值。過量Te的摻雜削弱了合金B(yǎng)i0.4Sb1.6

7、Te3的熱電性能，當(dāng)摻雜Te量增加到8wt.％時(shí)，熱電優(yōu)值Z從未摻雜樣的5.26′10-3K-1降低到了4.44′10-3K-1。
　　 考察了Se、Sb含量變化，AgI、CuBr2摻雜對(duì)n型Bi2-xSbxTe2.85Se0.15合金熱電性能的影響。當(dāng)采用0.2wt.％的AgI摻雜時(shí)，得到了最大熱電優(yōu)值Z＝1.86′10-3K-1。
　　 采用ECAE工藝，使p型Bi0.4Sb1.6Te3和n型Bi2Te2.85Se0

8、.15合金的基本面(0 0 l)在平行于擠壓方向出現(xiàn)了擇優(yōu)取向，n型和p型樣品的最高取向因子分別達(dá)到了0.28和0.36。擇優(yōu)取向的形成使平行于擠壓方向的熱電性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于垂直于擠壓方向，343K時(shí)p型Bi0.4Sb1.6Te3和n型Bi2Te2.85Se0.15合金在平行于擠壓方向得到了最大無量綱熱電優(yōu)值ZT，分別為0.979和0.66。
　　 在微波輔助濕化學(xué)法合成Bi2Te3納米片和電弧等離子體沉積合成橢球形Bi2Te3納