合金化、双掺杂、纳米复合协同作用提升碲化锡热电性能的研究

Due to containing toxic element, the application of traditional lead chalcogenides PbQ(Q=Te，Se or S) in waste heat recovery is limited. SnTe can serve as a potential alternative for PbQ because it has similar crystal structure and band structure to PbQ and is more abundant and low-cost. However, duo to intrinsic Sn vacancies, large energy offset between the light and heavy valance band and relatively high lattice thermal conductivity, pristine SnTe material has bad thermoelectric properties. The objective of this project is to improve the figure of merit of SnTe materials by synthesizing (SnTe)1-x(SnSe)x alloys first, aim at obtaining a relatively low lattice thermal conductivity as a base material, and then using dual doping to reduce the valance band offset and adjust the Fermi level simultaneously. We also plan to build multi-scale nanocomposite to further reduce the lattice thermal conductivity of (SnTe)1-x(SnSe)x alloys. At last, this project will study the thermal stability of SnTe based composites by high temperature heat treatment experiments. This project will offer a new composition designing idea and some experimental experiences, which will lay a good foundation for the application of SnTe materials in waste heat recovery.

传统的铅-硫族化合物PbQ(Q=Te，Se或S)因含有毒害元素在余热发电领域的应用受到一定的限制。SnTe拥有类似于PbQ的晶体结构和能带结构并且储量较大、成本较低，是一种可能替代PbQ的新型热电材料。然而，由于含有本征锡空位缺陷、较大的轻重价带能量差和较高的晶格热导率，纯SnTe材料的热电性能较差。本项目拟先制备(SnTe)1-x(SnSe)x合金，获得较低的晶格热导率，再通过两种元素共掺杂的方法，减小SnTe合金材料的轻重价带能量差，同时调节费米能级位置，提升功率因子；以此为基础，拟通过构筑多尺度纳米复合材料，增加声子散射，进一步降低SnTe合金材料的晶格热导率，实现提升其热电优值（ZT值）的研究目的。最后，本项目拟通过高温热处理实验，研究SnTe基复合材料的高温热稳定性。本项目将为SnTe热电材料的研究提供新的设计思路和实验经验，并为SnTe材料在余热发电领域的应用打下良好基础。

传统的铅-硫族化合物PbQ(Q=Te，Se或S)因含有毒害元素在废热发电领域的应用受到限制。SnTe拥有类似于PbQ的晶体结构和能带结构并且储量大、成本低，是一种可能替代PbQ的新型热电材料。然而，由于含有本征VSn、较大的轻重价带能量差和较高的晶格热导率(κL)，纯SnTe材料的热电性能较差（zT峰值~0.6）。本项目采用Se和Ge双掺杂、固溶Sb2Te3等方法，优化了SnTe的能带结构并调节了空穴浓度（p），使其zT峰值较大幅度提升，为其实际应用打下实验基础。我们还研究了I掺杂对PbTe铸锭电性能的影响、固溶PbS对PbTe-3%Sb复合热电材料机械性能的影响以及复合CuInTe2对InTe烧结块体热电性能的影响等。本项目的主要研究结果如下：.采用固溶SnSe，降低SnTe材料的κL。然后掺杂Ge调节能带结构、提高功率因子(PF)，同时进一步降低κL。接着，掺杂Bi调节p。结果， Sn0.64Bi0.04Ge0.32Te0.86Se0.14在773 K获得zT峰值0.9。另外，优化Se和Ge的含量，并改用Bi2Te3或Sb2Te3调节p，进一步提高zT峰值到1.2，较本征SnTe提升100%。.采用固溶Sb2Te3，在SnTe中引入较多VSn 和“gap-like”缺陷。同时，固溶Sb2Te3增大了空穴有效质量并降低了p。结果，(SnTe)8Sb2Te3在773K获得功率因子23 μW cm–1 K–2。最后，在(SnTe)8Sb2Te3材料中掺杂Re，压制双极扩散，获得了zT峰值1.4，较本征SnTe提升约140%，并且在323 K–773 K获得平均zT值0.83。.利用第一性原理计算，我们发现Mn掺杂减小价带顶L带和∑带的能级差。另外，Mn掺杂降低Sn空位形成能，导致p随着Mn含量增加而上升，这一点得到Mn掺杂SnTe实验的证实。双带模型分析表明，p在约2×1020 cm–3时将zT值最大化。我们采用Mn掺杂优化SnTe材料的价带结构以及碘掺杂降低p。结果，Sn0.91Mn0.09Te0.97I0.03材料在873 K获得zT峰值1.4。.I在PbTe中是有效的电子施主掺杂元素。PbS固溶（<15%）可以在小幅降低zT值（7%）的情况下，显著提高显微硬度（60%）并保持弹性模量不变。复合1.04%的CuInTe2可以提高InTe的功率因子和zT值约20%。