n型Bi_(2)Te_(3)基化合物的类施主效应和热电性能

晶粒细化是提高Bi_(2)Te_(3)基热电材料力学性能的重要方法,但晶粒细化过程中伴随的类施主效应严重劣化了材料的热电性能,并且一旦产生类施主效应,就很难通过简单的热处理等工艺消除.本文系统研究n型Bi_(2)Te_(3)基化合物烧结前粉体颗粒尺寸对材料类施主效应和热电性能的影响规律.随着颗粒尺寸减小,氧诱导的类施主效应明显增强,载流子浓度从10 M烧结样品的3.36×10^(19)cm^(-3)急剧增加到120 M烧结样品的7.33×10^(19)cm^(-3),严重偏离最佳载流子浓度2.51×10^(19)cm^(-3),热电性能严重劣化.当粉体颗粒尺寸为1—2 mm时,烧结样品的Seebeck系数为–195 μV/K,载流子浓度为3.36×10^(19)cm^(-3),与区熔样品沿着ab面方向的Seebeck系数为–203 μV/K和载流子浓度为2.51×10^(19)cm^(-3)相近,未表现出明显的类施主效应,可作为粉末冶金工艺的优质原料. 18 M烧结样品获得最大ZT值为0.75,进一步增强织构有望获得优异的热电性能.本研究为调控和有效抑制类施主效应的产生提供了新方法和途径,为采用粉末冶金工艺制备具有优异热电性能和力学性能材料提供了重要指导.

p型多晶Bi_(0.5)Sb_(1.5)Te_(3)合金类施主效应与热电性能

晶粒细化是提高Bi_(0.5)Sb_(1.5)Te_(3)合金力学性能的有效途径,但是粉末冶金过程中晶粒细化导致的类施主效应会严重劣化材料热电性能,制约了Bi_(0.5)Sb_(1.5)Te_(3)基合金在微型热电器件中的应用。本研究围绕p型Bi_(0.5)Sb_(1.5)Te_(3)基合金,采用实验结合理论计算系统研究了粉末冶金制备过程中研磨和脱附气氛对烧结样品中类施主效应和电热输运性能的影响规律和机制。Bi_(0.5)Sb_(1.5)Te_(3)基合金破碎研磨过程中粉体表面产生缺陷V_(Te)^(··)和V_(Sb)^(")并物理吸附空气中的O_(2),在烧结过程中与吸附的O_(2)发生缺陷化学反应,产生大量V_(Te)空位和自由电子,导致类施主效应,使空穴浓度大幅降低。在保护气氛下(Ar气氛)研磨避免接触空气或在空气中研磨后放置在保护气氛下脱附O_(2),都可以有效抑制类施主效应,使样品保持较高的载流子浓度和电导率,且性能在473 K下保持稳定。在空气中研磨后直接烧结的样品和放置在空气中粉体烧结的样品表现出明显的类施主效应,样品的载流子浓度从保护气氛处理样品的4.49×10^(19)cm^(−3)下降至3.21×10^(19)cm^(−3),采用保护气氛处理的粉体烧结样品在402 K下获得最高的热电优值ZT为1.03,平均ZTave为0.92。该研究为调控p型多晶Bi_(2)Te_(3)基化合物的类施主效应和优化其热电性能提供了新思路。