《SnTe基拓撲晶態絕緣體材料的微結構調控及熱電性能研究》是依託華中科技大學，由楊君友擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：SnTe基拓撲晶態絕緣體材料的微結構調控及熱電性能研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：楊君友
- 依託單位：華中科技大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
SnTe是一種拓撲晶態絕緣體（簡稱TCIs），也是一種潛在的高性能環保型熱電材料。在不破壞其TCIs特性的前提下，本項目先通過成分摻雜調控其熱電性能，在此基礎上再通過控制熱鍛軋和急冷工藝在其中引入大量位錯，通過對位錯密度與SnTe基材料表面電子態及熱電性能之間關係的研究，一方面可以給出SnTe基TCIs中位錯無能隙態存在與否的答案，這對SnTe基TCIs來說將是一個全新發現。而且還可以進一步提高SnTe材料的熱電性能。因為如果存在位錯無能隙態，位錯將成為良好導電通道，SnTe基材料的熱電性能將可望得到突破性提高；即使不存在無帶隙態，由於位錯提高了SnTe晶格的無序度，而且加工變形細化了材料的微結構，大幅降低了聲子熱導率，也可以進一步最佳化SnTe基材料的熱電性能。本研究不僅可以從理論上探明位錯對SnTe基材料熱電性能的影響機理，對最佳化其熱電性能以及探索發展新型熱電材料也具有重要套用參考價值。
結題摘要
本項目系統研究了元素摻雜、納米相複合、原位化學反應及多次熱變形工藝等對碲化錫基熱電材料電、熱輸運性能的影響機理及結果，通過載流子濃度調控以及能帶工程有效地提升了材料的電性能，由熱變形等引入的晶體缺陷、納米相等則顯著地改善了熱輸運性能，從而使SnTe基材料的熱電優值（ZT）大多超過~1以上，最大ZT值達到1.5左右（SnTe + 10% MnO2 @873 K）。對於推進碲化錫基及其他系列材料在工業餘廢熱的回收利用及其他領域的廣泛套用，提高能源利用效率，緩解能源危機及環境污染，具有十分重要的意義。主要結論如下：（1）掌握了碲化錫基熱電材料的製備方法，並基於經典玻爾茲曼輸運理論，對碲化錫基熱電材料的理論性質進行了計算，對於把握SnTe基材料的基本特徵及指導後期實驗工作具有重要意義。（2）元素摻雜能夠有效地調控體系的載流子濃度，最佳化材料的能帶結構，從而改善體系的電熱輸運性能。通過單陽離子Bi摻雜，可獲得~1.1的ZT值，而進一步通過BiCl3陰陽離子雙摻雜，可以使ZT值提高到~1.27。為了探究不同鹵素離子的影響，在CaI2摻雜樣品中也獲得了~1.2的ZT值，說明基於鹵素的陰陽離子位雙摻雜是一種高效的改善SnTe基材料熱電性能的方法。（3）納米添加物利用能量過濾效應以及多尺度聲子散射可以有效地改善體系的熱電性能。其中複合0.8 wt% 的ZnO 時，複合材料的ZT值可達到 ~0.9（873K），而進一步複合具有本徵低熱導率的納米相，可以進一步提高材料的性能，SnTe + 6 wt% WSe2 樣品在873K時，ZT值可達到0.96。（4）合理設計原位化學反應可以同時引入點缺陷調控載流子濃度以及彌散分布第二相增強聲子散射協同調控SnTe基材料的電、熱性能，通過MnO2與基體的置換反應，使樣品的ZT值得到顯著提升，最大ZT可達到1.5（SnTe + 10% MnO2 @873 K）。而利用SnO本身的歧化反應對SnTe進行Sn的自摻雜並引入SnO2納米相來調控體系的性能，也取得了＞1的ZT值（SnTe + 6% SnO @873 K）。（5）通過熱變形工藝可以人為地改變晶粒的大小、取向以及微觀形貌，從而引入位錯等晶體缺陷，對樣品的電、熱輸運性能產生影響，並且外在的機械變形會導致材料呈現各向異性。通過控制變形量、變形方向有可能獲得取向生長的樣品，從而進一步調控其輸運性能。
