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用元素掺杂法提升碲化铋合金的ZT值

发布:林赛斯(上海)科学仪器有限公司
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【引言】

一个理想的热电材料应具有较大的Seebeck系数、较高的导电率和较低的导热率。由于这些传输特性相互关联,获得高ZT值不是一件容易的工作。近年来,利用能带工程和纳米结构工程来提高热电材料的ZT值已成为人们关注的焦点。碲化铋Bi2Te3合金是在室温下工作的最佳热电材料之一。但主要商用Bi2Te3基合金的ZT值长期保持在1左右。由于p型和n型热电材料是制备热电器件的关键,因此优化n型Bi2Te3基合金的热电性能十分重要。


【成果介绍】

采用水热法合成了掺杂元素的Bi2Te3热电合金R0.2Bi1.8Te3(R=Ce,Y,Sm)纳米粉体。将纳米粉体热压成小球,研究其热电性能。对纳米粉末进行了XRD鉴定;进行了SEM分析,观察了粉末的形貌;并用LSR-3/800型Seebeck系数/电阻测量系统(LINSEIS,德国)在不同温度点测量了矩形棒的电导率和Seebeck系数。结果表明,Ce、Y和Sm掺杂对纳米粉体的形貌和热电性能有显著影响。在掺杂元素中,Ce掺杂是一种优越的掺杂剂。Ce掺杂虽然没有明显改善材料的导电性和Seebeck系数,但大大抑制了材料的热导率。结果表明,在398k下,Ce0.2Bi1.8Te3的热电优值(ZT)提高到了1.29,高于传统区域熔炼法制备的Bi2Te3锭。


【图文导读】

图1:合成粉末的XRD图谱

(a)Bi2Te3;(b)Ce0.2Bi1.8Te3;(c)Y0.2Bi1.8Te3;(d)Sm0.2Bi1.8Te3

图1:合成粉末的XRD图谱.png

图2:(a)Bi2Te3;(b)Ce0.2Bi1.8Te3;(c)Y0.2Bi1.8Te3;(d)Sm0.2Bi1.8Te3纳米粉体的SEM图像

图2:(a)Bi2Te3;(b)Ce0.2Bi1.8Te3;(c)Y0.2Bi1.8Te3;(d)Sm0.2Bi1.8Te3纳米粉体的SEM图像.png

图3:(a)Bi2Te3;(b)Ce0.2Bi1.8Te3;(c)Y0.2Bi1.8Te3;(d)Sm0.2Bi1.8Te3热压式样的SEM图像。

图3:(a)Bi2Te3;(b)Ce0.2Bi1.8Te3;(c)Y0.2Bi1.8Te3;(d)Sm0.2Bi1.8Te3热压式样的SEM图像.png

图4:热压样品的电阻率。

图4:热压样品的电阻率.png

图5:热压试样的Seebeck系数。

 图5:热压试样的Seebeck系数.png

图6:热压样品的热导率。

图6:热压样品的热导率.png

图7:热压试样的ZT值。

图7:热压试样的ZT值.png

【结论】

采用水热法合成了n型R0.2Bi1.8Te3(R=Ce,Y,Sm)纳米粉体,研究了热压法制备的体样的热电性能。Ce、Y和Sm掺杂对纳米粉体的形貌有显著影响。可能的原因是稀土元素取代Bi会改变a轴、b轴和c轴的键强度并影响生长速率。Ce、Y、Sm掺杂对提高材料的电阻率和Seebeck系数没有帮助,但有利于降低材料的热导率。在这三种元素中,Ce掺杂似乎更有效地降低了热导率。结果表明,Ce0.2Bi1.8Te3的ZT值在398K时可达到1.29,不仅远高于其它报道的掺杂Bi2Te3基合金的稀土元素,而且也高于区域熔锭和其它报道的n型Bi2Te3基合金。元素掺杂与纳米结构的结合研究是进一步开发新型热电材料的热点。


2020-05-22 17:24:58
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