磁性效应优化纳米n型铅碲合金热电性能

The breakthrough of thermoelectric performance for the n-type PbTe alloy, is one of key factors to improve the conversion efficiency of thermoelectric devices. In this project, the electrical-thermal transports will be optimized by the magnetic effects and nanostructure, and then n-type PbTe alloys with excellent thermoelectric properties will be synthesized. The carrier concentration optimized PbTe as the starting composition for following work, the magnetic effects will be introduced by magnetic ions doping, magnetic metals and oxides compositing, the nanostructures of samples will be optimized by adjusting synthesis conditions. After that, the magnetic and nanostructured n-type PbTe alloys will be prepared. The effects on carrier concentration, motility, electrical resistivity and Seebeck coefficient by the magnetic transition and interaction between carrier and magneton will be studied, and then the electrical properties will be optimized. Meanwhile, the thermal conductivity is reduced due to the reinforced phonon scattering by magnetic domain change and nanostructure. The influence of thermoelectric properties by magnetic effects and nanostructure will be explored, and the optimized thermoelectric transport mechanism will be deeply understood. In the end, the n-type PbTe alloys with excellent thermoelectric performance will be expected. By the study of this project, the idea of synergistic manipulation of the magnetic effects and nanostructure will provide approaches to improve the thermoelectric properties of materials. The synthesized n-type PbTe alloys with excellent thermoelectric performances will be good candidates for thermoelectric devices for recycling industrial waste heat.

实现n型铅碲合金热电性能的突破，是提高其热电器件转换效率的关键之一。本项目拟利用磁性效应和纳米结构协同优化电-热输运特性，制备出热电性能优异的n型铅碲合金。以最佳载流子浓度调控的n型铅碲样品为起始组分，通过磁性离子掺杂、磁性金属和磁性氧化物复合等方式引入磁性效应，调控制备工艺条件等优化样品的纳米结构，制备出具有磁性的纳米n型铅碲热电材料。研究磁相转变、载流子-磁子相互作用等对载流子浓度、迁移率、电阻率和Seebeck系数的影响，实现电学特性的优化；利用磁畴变化和纳米结构增强对声子的散射，实现热导率的降低；探索出磁性效应和纳米结构协同调控热电特性的规律，深入理解热电输运行为优化的物理机制，最终制备出热电性能优异的n型铅碲合金。本项目提出的磁性效应和纳米结构协同调控的思路将拓宽热电材料性能优化的设计思路；所得到的高热电性能n型铅碲合金将为回收工业废热等的热电器件提供优异备选材料。

项目背景.热电转换器件是将p型和n型热电材料由电极、导热绝缘基板等通过串并联设计连接而成的。其在工业余热回收、深太空探索等方面具有重要的应用价值。目前p型铅碲基合金的热电性能已突破公认的预期阈值zT=2.0，然后n型铅碲热电材料的热电优值较低，其热电输运特性亟需进一步优化。本项目将在载流子浓度、能带工程以及纳米结构的基础上，引入磁性效应进一步优化n型铅碲合金的热电性能。..主要研究内容.以I、Bi、Sb等元素的微量单掺杂和双掺杂调控n型PbTe基合金样品的载流子浓度，研究其能带结构、电学特性和热导率的变化。在此基础上，分别引入单质磁性金属Ni、Fe、Co、Mn以及磁性CaMnO3氧化物进行纳米复合PbTe的热电性能研究，探索磁性引入对热电性能的影响规律。在n型PbTe热电材料的研究基础上，开展了基于PbTe、CaMnO3等热电发电模块的输出功率、转换效率及力学特性的研究。..重要结果与关键数据.利用Sb、I、Bi等微量单掺杂和双掺杂调控了n型PbTe合金样品的载流子浓度以及能带结构，提高其样品的功率因子，同时利用其点缺陷降低样品的热导率，进而优化样品的热电优值，其优值系数可达到1.1。在I的样品组分的基础上，引入纳米磁性Ni单质，研究发现其有类施主掺杂的效应，优化其载流子浓度。因为Ni纳米第二相以及磁相变进而进一步降低了样品的声子热导率，最终5 mol% Ni 复合的样品在773 K下获得κLmin = 0.75 W/mK。在Ni单质复合的基础上，引入Fe、Co、Mn等磁性单质，电学方面的变化与单质Ni复合的行为类似，但是高密度的晶界、相界、纳米第二相等多尺度缺陷散射有效的降低了其热导率，最后5mol% Fe 复合的样品在775 K时获得最大的热电优值zT = 1.0，该zT值是未复合样品的2倍。..科学意义.n型铅碲合金热电性能的优化为中温PbTe基热电模块的构建提供了性能优异的备选材料组分。载流子浓度、能带工程、磁性效应及纳米结构协同调控n型铅碲合金的热电输运物性，为n型铅碲的热电性能优化提供了一种协同调控策略。