Cr-Se基材料的制备及其热电性能研究

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煤炭、石油等化石能源促进了全球经济的快速发展,给人们带来了高品质的现代化生活,但也导致一些不可再生资源的耗尽,并引发了严重的环境危机。为了应对能源危机和环境污染的挑战,开发新型绿色低碳能源材料越来越受到全世界的关注。热电材料是一种利用材料的Seebeck效应和Peltier效应实现热能和电能相互转换的新型绿色功能材料,在节约能源和减少温室气体的排放方面,展示出巨大的应用潜力。传统的热电材料如PbTe和Bi2Te3等,虽然具有优异的热电性能,但其组成元素Te的稀有性和Pb元素的毒性,一定程度上限制了这些材料的规模化应用。近年来,研究者们致力于寻找新型的热电材料,Cr-Se基材料作为一种起始原料价格低廉的新型热电材料,引起了研究者们的关注。Cr-Se基材料的晶体结构复杂,具有本征低热导率的特性,是一种具有潜力的热电材料。目前关于Cr-Se基材料的热电性能研究较少,因此研究材料的基本物性及其电热输运机制,探索通过固溶和掺杂等手段优化其热电性能的可能性和途径具有重要的研究意义。本文以Cr2Se3基材料和SbCrSe3基材料为研究对象。针对Cr2Se3化合物制备时间长、热电性能较差等问题进行研究。采用固相反应结合等离子活化烧结技术,探索制备单相Cr2Se3化合物的工艺参数。在此基础上,研究了Se位S固溶、Cr位过渡金属元素(Ag、Nb、Ni、Mn)掺杂以及Mn和S双掺对Cr2Se3化合物的相组成、微观结构、电输运和热输运的影响规律。针对SbCrSe3基化合物电导率低、存在p-n转变等问题,研究了Sb位Sn掺杂、Cr位Ti掺杂对SbCrSe3化合物的相组成和热电性能的影响。本论文的主要工作和研究结果如下:固相反应结合PAS烧结制备得到单相Cr2Se3化合物。Cr2Se3化合物具有较弱的取向性,垂直烧结压力方向的热电性能优于平行烧结压力方向,为了避免取向性对热电性能的影响,后续研究都选取样品的垂直烧结压力方向进行热电性能测试。因Se溶沸点较低,制备过程中易挥发,探讨了Se过量对材料相组成和热电性能的影响,结果显示Cr2Se3化合物中Se过量未能改善材料的热电性能,且过量的单质Se在PAS烧结过程中挥发会污染仪器腔体,因此选取未偏离化学计量比的Cr2Se3作为最佳配比进行进一步的研究。在Cr2Se3化合物的Se位进行S固溶,S在Cr2Se3中的固溶极限约为10%。随着Cr2Se3-3xS3x(x=0~0.1)化合物中S固溶量的增加,禁带宽度增大,Seebeck系数增大,双极热导率降低;合金散射增强,晶格热导率降低。上述几个因素协同作用,使得材料的ZT值增加,673 K时Cr2Se2.7S0.3化合物获得最大ZT值为0.29,比本征Cr2Se3化合物在623 K获得的最大ZT值0.22高32%。在Cr2Se3化合物的Cr位进行过渡金属元素(Ag、Nb、Ni、Mn)的掺杂,其中Ag原子和Nb原子倾向于取代空间群的6c晶体学位置,而Ni原子和Mn原子倾向于取代空间群的3a晶体学位置。过渡金属元素本征的外层电荷差异和优先占据在不同的晶体学位置,这将使得这些过渡金属对材料的电热输运性能产生不同的影响。Ag元素掺杂后材料的载流子浓度基本不变,Nb元素掺杂降低了材料的载流子浓度,Ni元素和Mn元素掺杂显著提高了材料的载流子浓度,室温下Ni0.04Cr1.96Se3和Mn0.04Cr1.96Se3样品的载流子浓度分别为2.92×1020 cm-3和3.14×1020 cm-3,是本征Cr2Se3化合物载流子浓度1×10200 cm-3的三倍。载流子浓度的增加,有效地将本征激发起始温度向高温移动。过渡金属元素掺杂显著增强了合金化散射,材料的晶格热导率大幅度降低,样品在573 K获得的最小晶格热导率从本征Cr2Se3化合物的1.51 Wm-1K-1降低至Nb0.04Cr1.96Se3样品的0.91 Wm-1K-1。由于过渡金属掺杂显著降低的双极热导率和晶格热导率及优化的电性能,Mn元素掺杂的样品表现出优异的热电性能,Mn0.04Cr1.96Se3样品在823 K获得最大ZT值0.28,相较于本征Cr2Se3化合物在623 K时获得的最大ZT值0.22,增加了30%,同时最大ZT值对应的温度向高温方向移动200 K。将Cr位Mn掺杂和Se位S固溶结合起来,制备了Mn0.04Cr1.96Se3-3xS3x(x=0~0.1)化合物。Mn和S共掺杂可以增大材料的禁带宽度,提高Seebeck系数,降低双极热导率;提高载流子浓度,增大电导率,抑制本征激发;增强合金散射,降低晶格热导率,实现材料电热输运性能的协同优化。Mn0.04Cr1.96Se2.7S0.3样品在823 K时ZT值达到最大值0.33,比本征Cr2Se3化合物在623 K时获得的最大ZT值0.22,提高了50%,同时最大ZT值对应的温度向高温方向移动了200 K。固相反应结合PAS烧结工艺制备得到单相SbCrSe3化合物。根据取向因子的计算和微观结构的观察,SbCrSe3化合物具有较弱的取向性,通过测试不同方向的热电性能,最终选定平行烧结压力方向作为测试热电性能的方向。在Sb位进行了Sn掺杂,成功提高了材料的电导率,抑制了p-n转变;增加了合金散射,降低了晶格热导率。Sn0.03Sb0.97CrSe3样品在873 K时获得的最大ZT值0.14,是本征SbCrSe3化合物在873 K时获得的最大ZT值0.005的28倍。在Cr位进行Ti元素掺杂,抑制了p-n转变;增强了合金散射,降低了晶格热导率。SbTi0.05Cr0.95Se3化合物在873 K时获得的最大ZT值0.04,是本征SbCrSe3化合物在873 K时获得的最大ZT值0.005的8倍。
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