硅化物热电材料的合成与物性-电子与通信工程专业论文.docxVIP

Thesis Submitted to Hangzhou Dianzi University for the Degree of Master Synthesis and Properties of Silicides Thermoelectric Materials Candidate: Lin Shanshan Supervisor: Prof. Huo Dexuan November，2013 杭州电子科技大学硕士学位论文 杭州电子科技大学硕士学位论文 I I 摘 要 热电材料是以能直接实现电能与热能的互相转换的而出名的功能材料，本文采用高能球 磨-感应热压制备 SiGe 合金，通过感应烧结、热压制备了 Mg2Si1-xSnx 基烧结样品及热压样品。 制备了 Ga、Sb 掺杂的 SiGe 合金，Sb 单掺和 La、Bi 双掺的 Mg2Si1-xSnx 基化合物。 性能测试表明 Ga 掺杂 SiGe 合金热电材料是 P 型传导，而 Sb 掺杂 SiGe 合金则是 N 型传 导。P 型传导的 Ga 掺杂 SiGe 合金有较好的热电性能，在 805℃时，Si80Ge18Ga2 样品的无量 纲热电优值（ZT）达 0.51。但是 Ga 的掺杂量不易控制，若能做到精确控制掺杂量或许将有 助于提高其热电性能。Sb 掺杂的 SiGe 合金，虽然热电性能较之掺 P 过低，但其提升空间较 大，实验所得 Si80Ge17Sb3 在 708℃时拥有最大 ZT 值 0.51。两者的球磨粉末粒径都随着球磨时 间的增大而减小。 X 射线衍射分析表明，Sb、Bi、La 均能与 Mg2Si1-xSnx 合金形成置换固溶体，其中单掺 Sb 时，Mg2Si0.6Sn0.3927Sb0.0075 烧结样品热电性能最好，在 412℃时 ZT=0.827，但其热压样品性 能欠佳。物相分析看来，可能是样品中残留的 Si、Sn 所导致，Mg2Si0.7Sn0.2927Sb0.0075 样品在 其他样品退火后性能明显下降时反而稍有上升。Mg2Si0.5Sn0.4927Sb0.0075 热压样品在 609℃时 ZT 达到 1.374。La、Bi 双掺的 Mg2Si1-xSnx 基热电材料在物相上看来所有烧结样品皆为多相并存 状态，热压样品仅 La0.005Mg1.995Si0.6Sn0.39Bi0.01 完全固溶，但就其性能看来单相或者多相并无 很大区别。双掺杂的烧结样品，虽其电导率一如所期望的较单掺样品高，但热导率却比单掺 样品低，热电性能尚在优异范畴内，所制得的 La0.01Mg1.99Si0.4Sn0.59Bi0.01 样品在 410℃时，ZT 值约为 1.05。热压样品的热导率一如期望的低，La0.005Mg1.995Si0.4Sn0.59Bi0.01 样品在室温时的热 导率为 1.30Wm-1K-1，其在 209℃时约为 1.17 Wm-1K-1。但其电导率却较烧结样品小很多，热 电性能也比烧结样品差，最佳热电性能的试样 La0.005Mg1.995Si0.4Sn0.59Bi0.01 在 409℃时的 ZT 值 约为 0.79。 关键词：热电材料，SiyGe1-y，Mg2Si1-xSnx，稀土元素，热电性能 II II ABSTRACT Thermoelectric materials are famous for converting heat energy to electricity and visas vers directly. This paper synthesis SiGe alloys by high energy ball milling and induction hot press, we prepare Mg-Si-Sn melting samples with induced melting, and synthesis the hot pressed samles with induced hot press. Samples include Ga doped SiGe alloys and Sb doped SiGe alloys, Sb doped Mg2Si1-xSnx solid solution, rare earth element La and Bi doped Mg2Si1-xSnx state solution. Property characterization shows that Ga-doping SiGe alloys leads to p-type conduction, while Sb-doping leads to n-type. SiGe alloys with Ga-doping have