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n型Bi2Te3基化合物的类施主效应和热电性能研究

李强 陈硕 刘可可 鲁志强 胡芹 冯利萍 张清杰 吴劲松 苏贤礼 唐新峰

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n型Bi2Te3基化合物的类施主效应和热电性能研究

李强, 陈硕, 刘可可, 鲁志强, 胡芹, 冯利萍, 张清杰, 吴劲松, 苏贤礼, 唐新峰

Research of Donor-like Effect and Thermoelectric Performance in n-Type Bi2Te3-Based Compounds

Li Qiang, Chen Shuo, Liu Ke-Ke, Lu Zhi-Qiang, Hu Qin, Feng Li-Ping, Zhang Qing-Jie, Wu Jin-Song, Su Xian-Li, Tang Xin-Feng
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  • 晶粒细化是提高Bi2Te3基化合物力学性能的重要方法,但晶粒细化过程中伴随的类施主效应严重劣化了材料的热电性能,并且一旦产生类施主效应就很难通过简单的热处理等工艺消除。本论文系统研究 n型Bi2Te3基化合物烧结前粉体颗粒尺寸对材料类施主效应和热电性能的影响规律。随着颗粒尺寸减小,氧诱导的类施主效应明显增强,载流子浓度从10 M烧结样品的3.36×1019 cm-3急剧增加到120 M烧结样品的7.33×1019 cm-3,严重偏离最佳载流子浓度2.51×1019 cm-3,热电性能严重劣化。当粉体颗粒尺寸为1~2 mm时,烧结样品的Seebeck系数为-195μV K-1和载流子浓度为3.36×1019 cm-3,与区熔样品沿着ab面方向的Seebeck系数为-203μV K-1和载流子浓度为2.51×1019 cm-3相近,未表现出明显的类施主效应,可作为粉末冶金工艺的优质原料。18 M烧结样品获得最大 ZT值为0.75,进一步增强织构有望获得优异的热电性能。本研究为调控和有效抑制类施主效应的产生提供了新方法和途径,为采用粉末冶金工艺制备具有优异热电性能和力学性能材料提供了重要指导。
    Grain size refinement is the vital stratagem for improving mechanical properties of Bi2Te3-based compounds. However, the donor-like effect induced by grain size refinement strongly restricts the thermoelectric properties especially in the vicinity of room temperature. Once the donor-like effect is generated, it is very difficult to remove the donor-like effect by the simple heat treatment process and other processes. In this study, the effect of particle size on the donor-like effect and thermoelectric properties was systematically studied for Bi2Te3-based compounds. As the particle size decreases, the donor-like effect is enhanced significantly. The oxygen-induced donor-like effect dramatically increases the carrier concentration from 3.36×1019 cm-3 for 10 M sintered sample to 7.33×1019 cm-3 for 120 M sintered sample, which is largely beyond the optimal carrier concentration of 2.51×1019 cm-3 and seriously deteriorates the thermoelectric performance. However, when the particle size of the powder is 1~2 mm, the Seebeck coefficient of -195 μV K-1 and the carrier concentration of 3.36×1019 cm-3 near room temperature are achieved, which are similar to the ZM sample with the Seebeck coefficient of -203 μV K-1 and the carrier concentration of 2.51×1019 cm-3. The powders without the obvious donor-like effect can be used as the excellent raw materials for powder metallurgy process. A maximum ZT value of 0.75 is achieved for the 18 M sintered sample. The excellent thermoelectric properties is expected to obtain by enhancing the texture further. This study provides an important guidance for the preparation of materials with excellent thermoelectric and mechanical properties by powder metallurgy process and provides a new path to regulate and effectively suppress the generation of donor-like effects.
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出版历程
  • 上网日期:  2023-03-16

n型Bi2Te3基化合物的类施主效应和热电性能研究

  • 1 武汉理工大学襄阳示范区, 湖北隆中实验室, 襄阳 441000;
  • 2 武汉理工大学, 材料复合新技术国家重点实验室, 武汉 430070;
  • 3 武汉理工大学纳微结构研究中心, 武汉 430070

摘要: 晶粒细化是提高Bi2Te3基化合物力学性能的重要方法,但晶粒细化过程中伴随的类施主效应严重劣化了材料的热电性能,并且一旦产生类施主效应就很难通过简单的热处理等工艺消除。本论文系统研究 n型Bi2Te3基化合物烧结前粉体颗粒尺寸对材料类施主效应和热电性能的影响规律。随着颗粒尺寸减小,氧诱导的类施主效应明显增强,载流子浓度从10 M烧结样品的3.36×1019 cm-3急剧增加到120 M烧结样品的7.33×1019 cm-3,严重偏离最佳载流子浓度2.51×1019 cm-3,热电性能严重劣化。当粉体颗粒尺寸为1~2 mm时,烧结样品的Seebeck系数为-195μV K-1和载流子浓度为3.36×1019 cm-3,与区熔样品沿着ab面方向的Seebeck系数为-203μV K-1和载流子浓度为2.51×1019 cm-3相近,未表现出明显的类施主效应,可作为粉末冶金工艺的优质原料。18 M烧结样品获得最大 ZT值为0.75,进一步增强织构有望获得优异的热电性能。本研究为调控和有效抑制类施主效应的产生提供了新方法和途径,为采用粉末冶金工艺制备具有优异热电性能和力学性能材料提供了重要指导。

English Abstract

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