SbAlZn多掺杂Mg2Si热电材料的制备及性能研究马晴

SbAlZnSbAlZn多掺杂多掺杂Mg2SiMg2Si热电材料的制备及性能研究马晴热电材料的制备及性能研究马晴 多掺杂 热电材料的制备及性能研究 马 晴 李书婷 咸阳师范学院物理与电子工程学院 陕西咸 阳 商洛学院电子信息与电气工程学院 陕西商 洛 摘 要 采用放电等离子体烧结技术 制备了 多掺杂 热电材料 利用粉末 射线衍射 霍尔效应和标准四探针电 导率研究了 热电材料的电输运特性和热电性能 结果表明 多掺杂 热电材料具有良好 的电输运和热电性能 采用放电等离子体烧结技术在 时 掺杂 热电材料具有最大热电优值为 与 基热电材料相当 根据电导率 塞贝克系数 和热导率 的温度依赖 性计算掺杂 热电材料在 的热电性能和 热电图优值 同时根据霍尔系数确定掺杂 热电 材料的电子浓度 关键词 热电材料 放电等离子体烧结 电输运特性 热电性能 引 言热电材料是一类利用固体内部载流子运动实现热能和电能相互转 换的功能材料 由于近年来发展新型能源的需求 热电材料已成为 国际材料研究领域的热点之一 掺镁硅基合金 是新一代环保型高性能热电材料 与 基热电材料相比 基合金具有无毒 可 持续 生产成本低等优点 研究表明通过对 型或 型热电材料的掺杂可以提高传导电子的载 流子浓度和迁移率进而提高材料的热电性能 同时也相应的减少晶 格振动 降低热电材料的热导率 据 等 研究 掺杂 和 可以提高 的热电性能且在 时 双掺杂和单掺杂的优值分别 为 和 等 通过对 材料 进行 掺杂 样品载流子浓度增加 倍以上 在 时 掺有 和 的 的塞贝克系数增至 在 时 掺锑 化合物 的峰值功率因数达到 最大优值 与 基热电材料的热电性能相当 等 研究了室温下 掺杂 材料的霍尔效应 结果 表明载流子浓度随 含量呈非线性增加 但当载流子浓度 时 掺锑材料的导电率很低 研究发现任意两种元素掺杂都能提高导电带中自由电子的含量 如 通过对 材料掺杂 和 在 下其热 电性能提高到 等 通过对 材 料进行双掺杂 发现在 下 材料具有最高热电性能 表明 是提高载 流子浓度的有效掺杂剂 目前通过 基热电材料双掺杂或多掺杂是提高材料热电性 能的一种有效途径 本文通过放电等离子体烧结技术制备了 多掺杂 热电材料 研究了多掺杂对 晶体主晶格的影响 性能 通过标准四探针法测量材料的电阻率和霍尔系数 根据塞贝克系数 电导率 和热导率 的温度依赖 性确定多掺杂 样品的热电性质并计算 多掺杂 样品的热电图优值 实 验 多元素掺杂 样品的合成及烧结将 按照熔融比 为 的比例置于氩氢气氛 下的氧化铝坩埚 中 加热到 熔点 以上 然后降温诱发晶体生长 掺杂 和 以提高材料的电子载流子浓度和声子散射 和 掺杂分别代替 和 充当电子供体 会在 位显出等电特性 既不影响载流子的产生 同时又对声子行为有影 响 从而导致材料的热导率降低 在 时加入电子供体和等电导掺杂剂 将所得多晶 粉碎成尺寸为 的粉末 然后放入石墨模具中进行放 电等离子体烧结 烧结条件 的氩气气氛 压力为 烧 结 用 电子探针微量分析仪 分析样品的组 成 年第 期 卷 基金项目陕西省自然科 学基础研究计划资助项目 陕西省教育 厅 年专项科学研究计划资助项目 咸阳师范学院专项科研基金资助项目 收到 初稿日期 收到修改稿日期 通讯作者马 晴 作者简介马 晴 女 陕西周至人 讲师 主要从事理论物理教学 和生物物理以及新型材料研究 射线衍射实验所用粉末 的纯度为 采用等离子体烧结技术合成 原子分数 原子分数 原子分数 掺杂的 研究了 种掺杂 材料 和 对掺杂的 样品进行同步辐射角 射线衍射实验 利用 软件包对衍射图样进行分析 并用 拟合确定晶格参数 材料的热电特性使用 测定样品的塞贝克系数和电阻 使用 测定样品在 温度范围内的热导 率 依此确定温度依赖的热电性能 通过标准四探针法测量样品的 电阻率 在固定温度下测量材料的霍尔效应 结果与讨论 多元素掺杂 样品的 分析图 为多元素掺杂 样品的 图谱 从图 可以看出 所得衍射峰尖锐且完整 说明放电等离子体烧结 样品良好 纯 的 射线衍射图谱可以索引到面心立方反萤石 结构 空间群 在增加衍射角时 布拉格峰的米勒指数 识别为 和 反射 的衍射图样与纯 的衍射图样相同 但布拉 格峰明显地向较低的角度偏移 结果表明 即使掺杂物浓度很小 的立方晶格也会发生膨胀 从图 中 和 的峰可以看出 少量 掺杂对样 品影响较小 这由于 和 的原子尺寸相似 对晶格膨胀的影 响较小 而从 与其它双掺杂和多掺杂峰相比 掺杂对晶格 影响较为明显 导致布拉格峰偏移 与 相比布拉格峰值较低 这是由于 原子尺 寸较大 占据了相应 位 导致 峰值相应减弱 图 多元素掺杂 样品的 图谱 表 为多元素掺杂 样品的晶格参数和单胞体积 纯 材料的 通过添加掺杂剂 其 增加到 范围内 表 从表 可知 所有掺杂样品的晶格参数都大于纯的 这是因为 掺杂原子尺寸大于镁原子 而取代 原子的 原子尺寸也较大 和 掺杂占据了 位 而 占据了 晶体结构 中的 位 表明 和 掺杂 是 型半导体 与 相比 的晶格常数变大 可能是由于 的掺杂 导致的 而 和 之间唯一的区别是掺杂元素的不同 由于 的原子尺寸大于 所以 的晶格参数较大 从表 可知 和 单细胞体积相同但与 和 有微小差别 可能是由于 和 的原子尺寸相似 对 单细胞体积影响较小 而 的原子尺寸大于 和 导致 掺杂样品单胞体积增大 表 多元素掺杂 样品的晶格参数和单胞体积 晶格参数 单胞体积 多元素掺杂 样品的 分析图 为多元素掺杂 样品的 表征图 从图 可知 与 试样的脆性断裂相比 不同元素掺杂 样品呈现韧性断裂趋势 这是由于 和 掺杂增加了晶格畸变 晶格畸变能够增强声子散射 使材料的热导率降低 从而获得性能 较高的热电材料 从图 可以看出 各掺杂试样断口的 形貌均可见片状解理面 均匀细小的片层状结构可以增强晶格散射 从而降低材料热导率 从而提高材料热电性能 从图 可知 样品的形貌比图 中有较多纳 米孔洞 这是由于声子传播速度与晶体密度和弹性力学性质有关 密度减小 使得声子传播速度减小 从而产生更多孔洞 更多纳米空洞可以极大增加声子散射 从而起到降低热导率作用 进而提高掺杂 样品韧性 提高其热电性能 多元素掺杂 样品的热电性能分析采用标准四探针法 通 过温变电阻率和霍尔系数测定了 多掺杂 样品的电输运性能 用 的电流测量截面 掺杂 样品的温度 电阻曲线 如图 所示 从图 可以看出 多元素掺杂 样品的电阻率随温度增加 而增加 由于载流子浓度和迁移率小幅减少 样品电阻率增加 为 典型半导体特征 的电阻率最高 当温度从 增加到 时 的电阻率从 增加到 在 时 和 的电阻率比其它掺杂样品小 可知 的掺杂 可降低材料 马 晴等 多掺杂 热电材料的制备及性能研 究电阻 可能是由于 占据 位 在含有 的掺杂剂的导电 带中有更多的移动电子从而使电阻降低 图 多元素掺杂 样品的 图 图 不同元素掺杂 样品的电阻率随温度的变化曲线 表 为 掺杂 样品的霍尔系数 和电子浓度 表 不同元素掺杂 样品的霍尔系数和电子浓度 化合物霍尔系数电子浓度 从表 可以看出 多掺杂 材料是 型掺杂半导体 使用等式 计算电子浓度 掺杂时 其电子浓度最大 为 掺杂时 电子浓度最小 为 从表 可知 霍尔系数越大则电子浓度越小 这也符合其计算公式 因此掺杂 是半导体材料 图 为多元素掺杂 样品的电导率 载流子浓度和迁移率决定了材料电导率 从图 可以看出 随着温度增加 电导率呈现下降趋势 下降幅度渐渐趋于零 这是因为当温度升高 增加了晶格自由能 使其对载流子散射加强 载流子自由程减小 迁移率降低 同时有效载流子浓度变化不大 电导率降低 图 为多元素掺杂 样品的塞贝克系数 在整个研究温度范围内 多掺杂 样品 的塞贝克系数为负数 证实它们是 型掺杂半导体 这与霍尔系数 的结论一致 多元素掺杂样品的温度与塞贝克系数关系曲线都非常接近 表明掺 杂物在提高塞贝克系数方面具有相同作用 从图 可知 随着温度的升高 塞贝克系数由 增加到 并在 时达到最大值 多元素掺杂 样品的塞贝克系数与先前报道的 和 双掺杂 类似 图 为多元素掺杂 样品的晶格热导率 由于较高温度下声子散射的增加 热导率随着温度的升高而降低 多元素掺杂 样品细小的晶粒使得材料中晶界增多 声子 平均自由程减小 声子散射增强 从而极大地降低了材料的热导率 同时掺杂元素增加了晶格畸变 在试样中形成了声子散射中心 降 低了样品的热导率 在 时 的热导率高于其它 掺杂 样品 但多元素掺杂 样品的 年第 期 卷热导率均低于未掺杂 样品 与 原子相比 原子掺杂声子散射更有效 导致较低的晶格 热导率 整体热导率为 由于 原子掺杂声子散射更有效 样品的晶格热导率低 于其它样品 但是 是个例外 其比 有更高的导热率 原因 当温度 时所有样品进入本征激发状态 晶格热导率渐渐 趋于稳定 图 为多元素掺杂 样品的优值 从图 可以看出 多元素掺杂 样品均比纯 样品优值 高 这是因为多元素掺杂 样品晶 粒尽寸细小 且伴有微纳米孔的存在 在高强度的散射作用下 电 导率降低 从而热导率也降低 对电性能的影响较小 但是可以提 高热电材料的优值 从图 可知 每个掺杂 样品的优值 随温 度的升高而显著增加 在 时 最大优值 为 具有优异热电性能 图 不同元素掺杂 样品的电导率 塞贝克系数 晶格热导率 和优值 结 论采用放电等离子体烧结技术制备了 多掺杂 样品 通过用标准四探针测量表征材料的电传输特性 通过 角散同步辐射 射线衍射 电导率和热导率研究为多元素掺杂 样品的热电性能 得出如下结论 掺杂剂的浓度较小时 原子分数 不会 改变主体 的立方晶体结构 但会使晶格膨胀 由于 和 掺杂增加了样品的晶格畸变 晶格畸变能够 增强声子散射 使材料的热导率降低 因此与 试样的脆 性断裂相比 不同元素掺杂 样品呈现韧性断裂趋势 多元素掺杂 样品的电阻率随温度增加而增加 为典型