纳米结构MgAgSb基合金的低温热电性能研究

Over the past decades, in spite of the substantial improvements on thermoelectric materials system, theory and performance, Bi2Te3 having ZT of around 1 since its first discovery remain to be the only material at low temperature applications.Meanwhile, Te is not earth abundant. Therefore, it is very urgent to develop novel low temperature thermoelectric materials with element rich and high performance. On the basis of the previous result on the nanostructured phase pure MgAgSb alloy with high performance, doping is put forward to tune thermoelectric transport parameters and improve thermoelectric properties. The first principle and Boltzmann transport theory is used to optimize doping element and design composition of MgAgSb based alloys. The effect of doping on the microstructure, phase transformation characteristic and thermoelectric properties is investigated to clarify the thermoelectric transport mechanism of MaAgSb based alloys. The design rule on the composition of MaAgSb based alloys is optimized. Finally, the low temperature MgAgSb based thermoelectric materials with element rich and high performance is developed. This enriches the thermoelectric theory and provides guildline to explores novel thermoelectric materials.

热电材料历经几十年的发展，在材料体系、热电理论及性能方面均取得长足进步，但在低温领域，Bi2Te3基材料是唯一ZT约为1的低温热电材料，且Te是极度稀缺资源。因此，迫切需要研发资源丰富、高性能的新型低温热电材料。本项目在高能球磨与热压烧结相结合制备高性能、纯相且纳米结构MgAgSb合金的基础上，提出采用掺杂调节MgAgSb合金热电输运特性，进一步提高热电性能的研究思路；采用第一性原理与波尔兹曼传输理论优选掺杂元素，设计MgAgSb基合金成分；研究掺杂对MgAgSb合金组织结构、相变特征及热电性能的影响规律，查明掺杂改善MgAgSb合金热电性能的作用机理，揭示MgAgSb基合金的热电输运机制，优化出高性能MgAgSb基合金的成分设计准则，研制出资源丰富、高性能的新型MgAgSb基低温热电材料，这些研究对于丰富热电材料理论及发展新型热电材料具有重要意义。

热电材料历经几十年的发展，除了传统Bi2Te3，PbTe及SiGe基热电材料性能得到大幅提高外，新型的热电材料体系也不断涌现，诸如Skutterudite，Half-Heusler，Zintl相，SnX （X=S, Se，Te）等。但在低温领域，Bi2Te3基材料是唯一ZT室温约为1的低温热电材料，且Te是极度稀缺资源。因此，迫切需要研发资源丰富、高性能的新型低温热电材料。采用高能球磨与快速热压烧结相结合制备出与当前低温热电性能最优Bi0.4Sb1.6Te3相当的纳米结构MgAgSb热电材料，查明其低热导率的物理本质为纳米结构和本征扭曲晶体结构导致强非谐振。在此基础上，研究Ni施主、Na及Li受主取代Mg、Cu等电位取代Ag以及Sb第二相对MgAgSb合金组织结构和热电输运特性的影响规律，查明掺杂改善MgAgSb合金热电性能的作用机理，优化并制备出性能更为优异的Li掺杂MgAgSb合金。该材料是低温热电材料近60年来唯一一个性能优于Bi0.4Sb1.6Te3的热电材料，这些研究对于丰富热电材料理论及发展新型热电材料具有重要指导意义。连接电极和热电材料的接触层也是决定热电器件转换效率的关键。我们在已获得的高性能MgAgSb基合金基础上，采用一步热压烧结方法在MgAgSb基热电材料表面制备出低接触电阻的Ag接触层，突破了电极与MgAgSb基热电材料连接的关键技术。MgAgSb基热电器件在温差为225摄氏度（室温-250摄氏度）条件下，转化效率高达8.5%（优于目前商用最优Bi0.4Sb1.6Te3的5.5%），为当前低温热电器件的记录值。获黑龙江省自然科学二等奖1项（排序第2），发表标注基金号SCI 收录论文23篇；培养了博士生3名，硕士生6名。