利用調製摻雜改進BiAgSeS材料熱電性能及相關機理探討

《利用調製摻雜改進BiAgSeS材料熱電性能及相關機理探討》是依託陝西師範大學，由吳笛擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：利用調製摻雜改進BiAgSeS材料熱電性能及相關機理探討
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：吳笛
• 依託單位：陝西師範大學

項目摘要

調製摻雜作為一種能大幅提升材料中載流子遷移率的技術，被廣泛套用於二維薄膜及其器件中。本項目擬將這種技術引入到BiAgSeS三維塊體熱電材料中，通過調整調製摻雜的複合結構，建立有利於載流子輸運的高遷移率通道，相對獨立地改善改材料的電導率，從而獲得對整體熱電性能的大幅提升。此外，本項目還將對該複合結構中存在的載流子不均勻分布進行定量表征，建立相關計算模型，為利用調製摻雜技術改進材料的電輸運性能作出理論上的依據。

結題摘要

熱電材料可以清潔簡便地實現熱能和電能的相互轉換，但其套用一直受到熱電轉換效率較低的制約。本項目以一種無鉛的BiAgSeS熱電材料作為研究對象，在前期的研究基礎上，進一步通過微結構最佳化，利用在二維薄膜中廣泛套用的調製摻雜技術對塊體材料進行載流子遷移率的最佳化和提升，從而提升材料整體的熱電性能。 在項目執行過程中，我們有幾個主要發現： 1.快速淬火形成的室溫BiAgSeS立方相是一種亞穩態，該相在進行升溫至773K的電或熱性能測試後，降溫至室溫得到的是BiAgSe2和BiAgS2的一種室溫混合相。 2.BiAgSeS經過一個熱循環後形成的BiAgSe2和BiAgS2兩相共存體在透射電鏡下呈現出一種板條狀的組合態，類似於共析結構。 3.Se-S的高度無序化應該是僅穩定存在於溫度較高區域（接近液相）的狀態，隨著溫度的降低，Se-S的固溶相互作用參數大於零，Se、S均傾向於形成各自有序的AgBiSe2和AgBiS2狀態。 4.我們在摻雜的過程中發現，摻雜元素在AgBiSe2和AgBiS2中的溶解度不一致，因此也可以實現類似的調製摻雜的效應，即：輕摻雜的AgBiSe2晶粒和重摻雜的AgBiS2晶粒的複合物。 5.此外，我們在AgBiSe2和AgBiS2的成分比為4:1的複合物中進行In的調製摻雜，同時取得了極低的晶格熱導率（相較純相在773K降低了33%）和較高的熱電功率因子，從而在773K獲得了較高水平的熱電優值峰值~0.9和該體系目前最高的平均熱電優值0.47。 我們在研究過程中發現的高度無序的BiAgSeS立方相作為一種亞穩相，不具有穩定的熱電輸運性能，而是由其更為穩定的有序度較高的AgBiSe2和AgBiS2的複合熱電材料表現的性能為實際性能。此外，有無序BiAgSeS立方相轉化成的有序度較高的AgBiSe2和AgBiS2的複合相，其微觀結構表現為一種類共析的板條狀結構，該結構對材料中的點聲輸運的調控也有深刻的影響。我們的研究可以為類似的高度無序的亞穩態結構的性能研究提供很好的借鑑意義，並為三維材料調製摻雜的方式提供一種新的思路。