cu2tebi2te3复合热电材料的微结构与热电性能研究word格式论文.docx

摘要Bi2Te3体系是重要的低温热电材料体系，在热电制冷和热电发电等领域具有广阔的应用前景。掺杂和结构纳米化是提高Bi2Te3体系热电性能的主要途径。Cu是Bi2Te3体系中重要的掺杂元素之一，且在Bi2Te3中有多种存在形式，包括在格点位置，插层位置以及形成Cu2Te第二相等。不同的存在形式对材料性能影响很大，但迄今为止对其存在形式并没有统一认识，一直存在争议。因此，研究和探明Cu在Bi2Te3中的存在形式对于调控和优化Bi2Te3体系的结构和热电性能具有重要意义。针对Bi2Te3体系研究存在的上述问题，本论文以Cu2Te复合Bi2Te3化合物为研究对象，首先系统探索了Cu 在Bi2Te3化合物中的可能存在形式，在此基础上研究了Cu插层样品、Cu掺杂原位形成第二相样品及Cu2Te少量复合Bi2Te3 化合物的微结构与热电性能的影响规律。对于Cu2Te大量复合时，系统研究了Cu2Te-Bi2Te3伪二元系统微结构随组成、冷却速率、退火工艺等因素的影响来探索Cu2Te在Bi2Te3中的有序分布，得到如下结论：（1）Cu 在Bi2Te3化合物中的存在形式探索研究：按CuxBi2-xTe3、CuxBi2Te3-x 以及CuxBi2Te3三种方式配比并对锭体进行各种测试表明Cu 取代Bi、Te原子的可能性很小，而Cu 存在于Bi2Te3的五原子层间可能性很大。当x进一步增大，超过0.01 时，原位生成了第二相Cu2Te。（2）Cu、Cu2Te掺杂Bi2Te3基化合物的热电性能研究：Cu插层的样品CuxBi2Te3（x=0.005-0.02）中，随着插层量的增加，电导率先减小，随后Cu提供电子使之电导率增大，出现少量第二相后电导率再次减小。Seebeck系数的变化规律则是随着插层含量的增大而增大。热导率在低温下降低较明显，x=0.01 的样品在400K时获得最大ZT值约为0.36，相比于未掺杂的Bi2Te3样品ZT 值提高了约16%。Cu 在Bi2Te3化合物中原位形成第二相样品CuxBi2Te3（x=0.05-0.13）中，随着第二相含量的增加，载流子浓度降低了约一个数量级，电导率先降低后增大，但是均低于未掺杂的Bi2Te3，而迁移率在室温下差异不大。Seebeck系数变化规律与电导率相反。热导率仅在室温附近有较小程度的降低，最终x=0.13时，材I料在375K获得最大ZT 值为0.43，相比于未掺杂的Bi2Te3，热电性能提高了约30%。(Cu2Te)x(Bi0.5Sb1.5Te3)1-x（x=1%-9%）复合材料样品中，随着复合量Cu2Te 的增加，载流子浓度增加，电导率、热导率大幅增加，Seebeck 系数减小，而晶格热导率在高温下有一定程度的下降。复合后样品的最佳ZT 值都向高温偏移，x=1%的样品在475 K 时获得最大值为0.9，这相比未掺杂的Bi0.5Sb1.5Te3在325K 时取得的最大值0.76 来说，提高了约18%。（3）Cu2Te-Bi2Te3伪二元系统的有序微结构研究Cu2Te-Bi2Te3伪二元系统没有低共熔温度，类似于共晶组织，在(Cu2Te)x(Bi2Te3)1-x 中x为0.4-0.6为共晶组成。在该组成下Cu2Te以短棒状有序均匀的分散在Bi2Te3基体中。每种冷却速率下均存在片层和圆点的形貌，但是过冷度的不同使得其尺寸上有明显的差异。冷却速度越快，片层间距越小。(Cu2Te)3(Bi2Te3)2化合物的退火结果来看退火温度升高和退火时间增加都会使微结构发生变化，尺寸变大，且退火温度的影响大于退火时间。关键词：Bi2Te3基化合物，存在形式，复合，热电性能，微结构IIAbstractBi2Te3systemisanimportantthermoelectricmaterialusedatlowtemperature, whichhasbroadprospectinthefieldofthermoelectriccoolingandthermoelectric powergeneration.Dopingandnano-structuringarethemainmeanstooptimize thermoelectricperformanceofBi2Te3materials.Cuisoneofimportantelementsin dopingBi2Te3systemandexistsinavarietyofforms,includingthelatticepoint,the intercalationpositionandformingCu2Teasasecondphase.Inaddition,different existingformshavedifferentinfluenceonmate