纳米铁电相对MgAgSb材料热电输运行为的调控机制及其性能优化研究

MgAgSb has the Half-Heusler structure, is a kind of potential green thermoelectric material with high performance. In this project, the thermoelectric properties of MgAgSb-based materials will be improved firstly by doping and alloying. After this, MgAgSb thermoelectric composites with ferroelectric nanoparticles (BaTiO3 and BiFeO3-based solid solution) are fabricated via spark plasma sintering, or hot press sintering. The spontaneous polarization from ferroelectric ordering can tailor the carrier concentration and mobility of the matrix. In addition, ferroelectric nanoparticles can also scatter long/medium wavelength phonons, and improve the thermoelectric transport properties. The effect of grain size and the content of ferroelectric nanoparticles is studied, and the relationship between the spontaneous polarization and electronic structure of thermoelectric materials will be setup, which is also meaningful and valuable to both the improvement of thermoelectric propertis of MgAgSb-based materials and the development of new thermoelectric materials.

MgAgSb具有Half-Heusler结构，是一种潜在的高性能环保型热电材料。本课题首先通过成分掺杂调控其热电性能，进而制备基于纳米铁电相（BaTiO3和BiFeO3固溶体）的MgAgSb热电复合材料，使用大电流热锻技术对复合材料中的铁电相进行极化，通过纳米铁电相的自发极化调控热电基体中载流子浓度和迁移率，同时纳米铁电相还可以额外散射中长波声子传输，改善热电输运性能，在此基础上调控纳米铁电晶粒的尺寸和含量，从理论上研究自发极化对热电材料电子结构和相关物理性质之间的关系及其作用规律，对优化MgAgSb体系热电性能以及探索发展新型热电材料具有重要应用参考。

MgAgSb具有Half-Heusler结构，是一种潜在的高性能环保型热电材料。本项目基于经典玻尔兹曼输运理论，采用第一性原理计算了-MgAgSb的电子能带结构及电子态密度，得到了差分电荷密度、键长键角等性质，对于-MgAgSb电、热输运性能的调控具有指导意义。.本项目详细探究了制备流程、Mg过量自掺杂对MgAgSb相纯度及电热输运性能的影响规律，并加入碳纳米管进一步优化其性能，在548K下ZT达到了0.75，比基体提升了约47%。与BaTiO3复合后，由于长时间高温退火导致的扩散和BaTiO3半导化，使得电-热性能发生恶化，热电优值略下降。.本项目首次探索并发展MgAgSb材料的微波制备工艺，大幅缩短MgAgSb材料的制备周期（从常规的14天缩短至5天），并加入纳米SnTe有效优化电性能，减少本征激发带来的负面效应，使高温区的塞贝克系数增大；纳米SnTe同时增强声子散射，降低热导率，最终MgAgSb复合材料的热电性能提高了46.9%（ZT~0.94）。这一研究极大地促进了MgAgSb热电材料的大规模制备合成和在温差发电装置的实际应用。.本项目制备了不同纳米BaTiO3含量的BaTiO3/Bi0.5Sb1.5Te3（BST）复合热电材料。纳米BaTiO3直径在30nm左右，居里温度降低到85℃左右，铁电氧化物纳米点的能量过滤效应提高了复合材料的塞贝克系数和功率因子，量子点对声子的散射降低了热导率，从而有效实现热电性能的优化，在90℃（铁电居里点附近）时，BaTiO3含量为2vol%的复合材料ZT最大值为~1.31，比单相BST提高了约24%。.在构建PbTiO3/BST热电复合材料时，首次发现了PbTiO3在490℃时的不稳定现象，其在烧结过程中可以与BST在数分钟发生化学反应，从而将一种典型的核-壳结构PbTiO3@TiO2和纳米TiO2引入BST基体中，并同时在Sb位点进行Pb掺杂。Pb的掺杂得益于原位反应的协同效应，提高了载流子浓度和电性能，同时核壳结构和纳米TiO2大大降低了晶格的导热系数。在333K处，0.5 mol% PbTiO3/BST复合材料的ZT值达到峰值1.44，比原始BST高36%。这一策略具有低成本、高效的特点，具有重要的商业应用价值。