热电材料是一种热能与电能直接相互转换的新型能源材料，在深空探测、工业废热、汽车尾气余热等领域存在广阔的应用前景。ZnSb化合物资源丰富、成本低，且热导率较低、塞贝克系数高，具备高性能热电材料潜质，但低电导率和较高的点阵热导率导致 ZT值低。因此本文拟采用Na或 Ag受主掺杂 Zn和等电位Cd取代Zn等方式提高电导率和降低点阵热导率，进而提高ZnSb的ZT值。采用熔融+球磨+热压烧结相结合的方式制备ZnSb基热电材料，采用XRD、SEM、ZEM-3、激光热导仪等先进表征手段研究Na或Ag掺杂及Cd取代对ZnSb热电材料组织结构和热电输运行为的影响规律及机制。
研究发现，采用真空融熔+球磨+热压烧结可制备晶粒尺寸约为1?m且为纯相的Na/Cd(Ag/Cd)双掺ZnSb基热电材料。Na掺杂显著提高了ZnSb的载流子浓度和电导率，Seebeck系数略有下降，最终导致功率因子大幅上升，在40℃0℃时达到最大值16.1μW/cmK2。Na掺杂由于提高电导率，导致电子热导率（?ele=L?T）和总热导率升高。根据ZT=(S2σ/κ)T，Na掺杂量为0.5％时，在350℃时ZT值达到最高值0.994，显著高于未掺杂ZnSb的0.42。
在Na掺杂的基础上，采用Cd元素等电位取代ZnSb中的Zn进一步降低点阵热导率。研究结果表明，Cd取代Zn不仅显著降低点阵热导率，还略有提高功率因子。最终ZnSb热电材料ZT值随着Cd含量的增加先升高后降低，在Cd取代量为8%时性能最优，ZT值300℃为1.22。
Ag掺杂对ZnSb材料热电输运参数的影响与Na掺杂类似，Ag掺杂显著降低电阻率和提高热导率，Seebeck系数降幅较小，导致功率因子大幅增加，最大功率因子为150℃时的22.6μW/cmK2。最终Ag掺杂大幅提高ZnSb材料的ZT值，400?C由未掺杂的0.63提高到0.95。在Ag掺杂基础上，随着Cd取代Zn量增加，点阵热导率和总热导率逐渐降低，功率因子变换幅度较小，导致ZT值逐渐增加，Ag0.01Cd0.09Zn0.9Sb热电性能最优，300℃时ZT值为1.1。
- 作 者：
- 周竞超
- 学科专业：
- 材料物理与化学
- 授予学位：
- 硕士
- 学位授予单位：
- 哈尔滨工业大学
- 导师姓名：
- 隋解和
- 学位年度：
- 2015
- 研究方向：
- 语 种：
- chi
- 基金项目：
