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应用小站 | Sr掺杂Bi2Se3基热电材料的合成与热导率研究

来源:林赛斯(上海)科学仪器有限公司 更新时间:2024-09-25 17:30:14 阅读量:172
导读:应用小站 | Sr掺杂Bi2Se3基热电材料的合成与热导率研究

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背景介绍
随着现代社会对可持续能源需求日益增长热电材料的研究和开发变得越来越重要热电材料是一种能将热能和电能相互转换的功能材料,其具有可靠、轻便、坚固和环保的优点,可以直接将废热转化为有用的电能。热电器件的效率由材料的热电优值ZT=(S2σ/κ)T来进行表征,其中S为塞贝克系数,σ为电导率,κ为热导率,因此,理想的热电材料应具有高载流子迁移率和低热导率。硒化铋基合金是一种传统的热电材料,具有约0.3eV的窄带隙,广泛应用于近室温热电致冷器和热电发电机的研制。Bi2Se3结晶为具有空间对称群(R-3m)斜方六面体结构,这种结构由沿c轴排列的五个原子层组成,称为五元层BiSe原子层通过较强的共价键/离子键进行连接,而相邻的Se则通过较弱的范德华力连接在一起。
热导率是决定热电材料ZT值的关键参数之一,在过去的十年中,热电材料的热电性能取得了重大进展,在保持其功率因数值的同时,通过采用各种策略,如无序晶格、局域声子的共振散射、界面散射等来调整热电材料的热导率。自过去十年以来,通过使用各种掺杂剂来调整Bi2Se3系的热电性能已得到显著的发展。有报道称Sr掺杂Bi2Se3是一种超导拓扑绝缘体,但该材料在室温以上的热输运行为尚未见报道。在本研究工作中,我们在300-550 K的温度范围内对SrxBi2-xSe3 (x=0, 0.05, 0.2)的热输运性质进行了表征分析。
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实验部分

采用真空熔炼法、研磨以及真空热压法制备SrxBi2-xSe3 (x=0, 0.05, 0.2)样品。根据元素质量比将相应的iSr(99.99%)Bi(99.99%)iiSe(99.99%) 2x10-5 mbar的真空条件下密封于石英管中。然后将真空密封的石英管置于摇炉中,升温速率50/hr将摇炉升温至1073K并恒温4小时,使样品充分混合均匀。最后10/min降温速率缓慢冷却至室温。将所得到的有光泽的铸块磨成细粉,然后873K的烧结温度下,施加2.5 Kg的载荷将其烧结60min致密化。为了测量热输运性能,对直径约为10mm的圆盘状试样进行热压和抛光处理300-550K的温度范围内,使用Linseis激光导热仪(LFA-1000)测量其热输运特性。

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实验结果分析

如下图a,b,c分别为SrxBi2-xSe3 (x=0, 0.05, 0.2)试样的比热容、热扩散系数和热导率的测试结果。以石墨作为参比物质,采用比较法测量试样的比热容,测量结果显示,试样的比热容随着Sr含量的增加而系统地增大。试样的热扩散系数则随着Sr含量的增加而减小,且随着温度的升高,热扩散系数基本保持不变。试样的热导率同样随着Sr含量的增加而降低。试样热导率的降低可以从大量晶界、缺陷和微米尺度界面增强声子散射的角度来理解。系统中不同长度尺度散射中心的存在降低了声子的平均自由程,从而抑制了试样的热导率。

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实验结论
通过对SrxBi2-xSe3 (x=0, 0.05, 0.2)的热输运性质进行研究分析,可以看到,随着Bi2Se3Sr含量的增加,其导热系数降低,而随着温度的升高,导热系数保持稳定。热导率的降低归因于Bi2Se3结构中的Sr嵌入导致的层状结构生长和缺陷。热导率的降低为进一步探索该体系的其他热电参数提供了空间,从而得出该体系的热电性能。

END

注:本文内容源于文章Synthesis & tailoring the thermal conductivity of Sr doped Bi2Sethermoelectric material,作者Anil K. Bohra, Ranu Bhatt, Shovit Bhattacharya, Ranita Basu, Sajid Ahmad, Ajay Singh, D. K. Aswal, and K. P. Muthe 。


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