低维热电材料界面缺陷及其对晶格热导率影响的正电子湮没谱学研究

The figure of merit (ZT) has been improved greatly in the low dimensional thermoelectric materials relative to bulk materials. How to control lattice thermal conductivity effectively is main bottleneck in the low dimensional thermoelectric materials field. Defects usually have great impact on the lattice thermal conductivity. Herein Bi2Te3 based low dimensional thermoelectric materials are focused in this research subject, in which the interface and defects will be systematically studied by using positron annihilation technique, and the phonon scattering theory. The main content includes: 1) low dimensional thermoelectric materials will be prepared firstly. Positron annihilation lifetime measurement are used to analyze the lifetime of the component in the various defects and identify the interface and the defects (the type and the concentration). 2) The S,W and electron momentum distribution will be measured by Coincidence Doppler Broadening technique by which the chemical environment surround the defects can be investigated and the type of the defects can be specified 3）Based on directing the influence of the defects at interface on lattice thermal conduction, the relationship among “the defects at the interface”-“the phonon scatting”-“the lattice thermal conduction” will be established. This results of this research will help to design efficient thermoelectric devices, and improve the utilization of the energy.

热电材料低维化是大幅提高热电优值的有效途径之一。为探明界面微结构如何调控低维热电材料晶格热导率这一问题，本项目以Bi2Te3基低维热电材料为研究对象，利用正电子湮没技术系统研究低维热电材料界面缺陷，结合现有研究缺陷对声子散射有关理论计算结果，探究界面空位缺陷变化对晶格热导率的影响。研究内容包括：1）制备含不同界面及界面缺陷的低维热电材料，利用正电子湮没寿命谱测量不同缺陷态的寿命成分，判定界面缺陷的详细信息（类型和浓度）；2）利用符合多普勒展宽谱测量S,W参数，电子动量分布，通过研究缺陷周围的化学环境，进一步判定缺陷的信息；3）结合热电参数计算晶格热导率，探究界面不同空位缺陷对低维热电材料晶格热导率的影响，尝试建立“微观界面缺陷”-“声子散射”-“宏观晶格热导率”的关系。本项目研究结果有助于探明降低材料晶格热导率的有效途径，为优化现有热电材料性能和设计新型热电材料指明方向。

热电材料因无需复杂装置而将各种废热直接转化为电能，可以给无热损再生能源的发展带来光明的前途，成为科学界研究的热点。低维化是大幅提高热电优值的有效途径之一。为探明界面微结构如何调控低维热电材料晶格热导率这一问题，项目以Te基低维热电材料为研究对象，探究界面及界面空位缺陷对声子散射的作用，分析晶格热导率随材料界面微结构的变化关系，力争理清“界面缺陷”-“声子散射”-“晶格热导率”的关系。 .利用水热法合成了Bi2Te3，Sb2Te3和(BixSb(1 -x)2Te3纳米热电材料，对所得热电材料物相、形貌、热学性能及微结构随不同合成温度，不同掺杂样品进行研究，发现170℃、180℃、190℃、200℃合成温度的样品颗粒大小变化规律，190℃制备的样品颗粒度均匀较好，初步得到了通过合成温度调控微结构形貌的方法，研究成果有助于调控样品形貌，为研究界面及界面空位缺陷对声子散射的作用打好了基础。.利用放电等离子烧结方法得到了Bi2Te3，Sb2Te3块体样品，通过正电子湮没技术实现对低维热电材料界面空位缺陷等不同信息（缺陷类型和浓度）进行表征。结合界面及界面空位缺陷态对声子散射相关理论计算结果，综合其他实验表征方法，如X射线衍射、电镜测试结果对照分析，初步探明了Te基纳米热电材料中表面及界面单空位，双空位，空位团缺陷对声子散射的作用，建立缺陷了与晶格热导率变化的对应关系。研究结果可能为优化热电材料性能或者设计新型热电材料提供可能的方向，可能对提高热电材料转换效率有一定的促进作用。