Si基和Ge基笼合物热电材料的高压制备和性能优化

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本论文采用高温高压制备技术成功制备了系列Si基和Ge基笼合物热电材料,深入研究了合成压力、微观组织结构和掺杂对该体系热电材料电声输运性质的影响机制。主要研究成果如下:(1)在3GPa,840℃的压力和温度条件下,首次采用Ba(N32和Si在高温高压下的化学反应成功制备出常压方法难易制备的Ⅰ型Si基笼合物Ba8Si46,发现其具有超导特性,超导转变温度Tc=8.3K;另外,在相同的合成条件下,我们以Ba Si2和Si为初始原料,也成功制备出了Ⅰ型Si基笼合物Ba8Si46。(2)采用高温高压制备技术成功制备了系列Cu掺杂的Si基笼合物热电材料Ba8Cux Si46-x(x=1,2,3,4,5)。随着Cu掺杂量的增加,合成样品的Seebeck系数和功率因子显著提高。进一步,我们在3GPa的合成压力下成功制备了不同Ge掺杂量的系列Cu、Ge双掺杂块体Si基笼合物热电材料Ba8Cu5Ge8x Si41-8x(x=0,1,2,3)。研究发现,随着Ge元素掺杂量的增加,合成样品的Seebeck系数大幅度提高,热导率明显降低,ZT值显著提高。其中Ba8Cu5Ge24Si17样品的最大Seebeck系数达到-141.2μV/K@673K,最小热导率为0.91Wm-1K-1@573K,最大ZT值为0.42@673K。(3)研究了合成压力对高温高压制备的Cu、Ge双掺杂Si基笼合物热电材料Ba8Cu5Ge24Si17电声输运性质的影响机制。研究发现,在5GPa的合成压力范围内,随着合成压力的升高,合成样品的电阻率明显降低;同时,随着合成压力的升高,样品中的纳米晶、位错、晶格扭曲、黑白条纹等微观结构显著增多,声子散射增强,热导率明显降低,5GPa压力下合成的样品获得了最低热导率0.76Wm-1K-1@573K。4GPa压力下合成的样品获得最大ZT值0.55@673K。(4)在不同合成压力(2GPa,3GPa,4GPa,5GPa)条件下成功制备出ZT值大于1的高性能n-型块体多晶Ge基笼合物热电材料Ba8Ga16Ge30。研究发现,高温高压合成的该体系样品内部存在多尺度的微纳米结构,如纳米球、局域非晶区、晶格畸变(位错、晶格局部扭曲等),有效增强了声子散射,降低了材料的热导率。另外,随着合成压力的升高,所合成样品的电阻率显著降低,功率因子明显增大。在5GPa压力下合成的Ba8Ga16Ge30样品获得最大ZT值1.14@773K,这比常压下合成的同类样品ZT值提高了大约30%。综上研究表明,高温高压制备技术可成功制备出常压方法难易制备的具有多尺度微观组织结构的Si基和Ge基笼合物热电材料,并部分截获其高温高压下的优异热电性能。
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