强磁场对亚共晶Bi--Te合金微观组织和热电性能的影响

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热电材料是一种能够实现电能和热能直接转换的功能材料,主要用于热电制冷与温差发电。而Bi2Te3系热电材料作为室温附近性能最好的热电材料之一,已经应用在生物医疗、军事武器、电子芯片等高端领域制冷。现有研究表明,优化Bi2Te3基合金的相组成和微观组织结构是有效提高其热电传输性能的重要手段。强磁场是一种极端物理场,具有增强的洛伦兹力和磁化力作用效果。近年来,将强磁场应用到材料凝固过程中的研究发现强磁场可以控制凝固过程中的组织结构演变。因此,本研究将强磁场引入到亚共晶Bi-Te半导体合金的凝固过程中,探究了匀强磁场和梯度强磁场对该合金微观组织演变和热电性能的影响规律。  本研究中使用了金相显微镜、X射线衍射仪以及扫描电镜-能谱仪对亚共晶Bi-Te合金试样的晶体取向、微观组织以及相组成进行了分析,利用赛贝克系数/电阻率测试装置、激光热导仪、霍尔效应测试仪等对合金的热电性能(赛贝克系数、电阻率、热导率、载流子浓度及迁移率)进行了检测,得到以下主要结论:  (1)强磁场对亚共晶Bi-Te合金晶体取向的影响:对于匀强磁场下制备的样品,由于磁晶各向异性作用,Bi2Te3晶体呈现出c轴沿垂直于磁场方向取向的趋势,取向度随着磁场强度的增大而增大;对于梯度磁场下制备的样品,取向效果与匀强磁场相同,但取向程度较匀强磁场弱一些,并且取向度随着磁场梯度的增大而降低。  (2)强磁场对亚共晶Bi-Te合金微观组织形貌的影响:无磁场条件下,试样由初生相Bi2Te3和共晶组织(Bi2Te3+Te)组成。对于在匀强磁场下制备的样品,条状的初生相宽度变窄,间距变窄。在无磁场条件下初生相排列无明显方向性,施加匀强磁场后,初生相均沿磁场方向排列。在梯度磁场(磁感应强度B=8.8T)下,初生相沿磁场排列,梯度BdB/dz为0T2/m和-177T2/m时,初生相宽度变化不明显;当磁场梯度为-385T2/m时,初生相明显变窄、间距变细,条状特征不明显。  (3)强磁场对亚共晶Bi-Te合金热电传输性能的影响:与无磁场条件相比,匀强磁场下亚共晶Bi-Te合金电阻率降低,赛贝克系数增大,热导率降低。并且,总体上这些热电参数的变化程度随着匀强磁场强度的增加而增加,当磁场条件为B=11.5T时样品在370K的温度下取得最大ZT值。与无磁场条件相比,梯度磁场对热电传输性能影响与匀强磁场相同。但与同样磁感应强度的匀强磁场相比,梯度使亚共晶Bi-Te合金电阻率增大,赛贝克系数减小,热导率先增大后减小。
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