Ce-Pb-Sb-Te体系中相关相图及热物理性能的研究

The high performance and high efficiency thermoelectric materials is the key issue in the field of thermoelectric materials. Recently, due to the nano-precipitates grown in the PbTe-based alloys, the PbTe-based thermoelectric materials has a high figure of merit ZT and which has attracted much attention widely. In the present project, the object of study is the Ce-Pb-Sb-Te system, and the phase diagrams of pseudo-binary systems and pseudo-ternary systems (CeTe-PbTe、SbTe-PbTe、CeTe-SbTe-PbTe and so on) will be established by experiments, and the phase relationship, the phase structure and the contents of components of those phase diagrams will be investigated. Meanwhile, combined the first-principles calculations, molecular dynamic and Boltzmann theory, the thermophysical, electronic and thermoelectric properties of some alloys will be studied; Finanly, according to the phase diagrams and the first-principls calculations, the intrinsic relationship between the phase structure, electronic structure and thermoelectric properties of the alloys will be uncovered, and the contents of the components has been predicted for the novel thermoelectric materials with high performance and high efficiency.

新型高性能高效率热电材料是热电材料领域研究的热点。近年来，含有纳米相的PbTe基热电材料因为具有高热电ZT优值而备受关注。本项目以Ce-Pb-Sb-Te体系为研究对象，测定CeTe-PbTe、SbTe-PbTe、CeTe-SbTe-PbTe等赝二元和赝三元相图，研究其相关系、相结构以及成分范围；同时利用第一性原理、分子动力学和Boltzmann理论相结合的方法，研究该体系中相关化合物的热物理性能、电子结构性能以及热电性能；最后综合实测相图和第一原理计算结果，探索相结构、电子结构与热电性能之间的内在关联性，并预测新型高性能高效率热电材料成分。

世界能源短缺环境恶化不断加剧，但是现有能源的利用率较低，如燃烧的能量只有35%得到了利用，而65%的余热则被作为废热排放出去。如何利用这一废热？热电材料可以担当此任。但是目前现有的热电材料由于其ZT系数较低还不具备很高的商业价值。为此新型高性能热电材料的探索势在必行。而PbTe基的热电材料是目前能获得高ZT系数的材料之一，Ce和Sb的掺杂可能会有新的发现，为了研究掺杂元素加入后形成的合金相和基体母相的相关系，因此本项目将从合金相图、相结构、相平衡的角度出发研究Ce-Pb-Sb-Te四元合金的相图及相关系。研究从以下几个方面展开：（1）利用第一性原理的方法对Ce-X（X=Pb,Sb）二元体系化合物的相稳定性、电子结构特性以及力学性能进行了计算研究；（2）利用机械合金化方法和高频熔炼方法快速制备PbTe和SbTe热电材料。（3）对Pb-Sb-Te这个三元体系进行了合金化和复合化的研究，利用机械合金化等方法成功的制备了δ-Sb2Te+PbTe、γ-Sb2Te2+PbTe和Sb2Te3+PbTe等复合热电材料。（4）对Ce-Pb-Te三元体系进行了合金化和复合化的研究，使用机械合金化和高频熔炼等方法成功的制备了CeTe+PbTe和Ce3Te4+PbTe等复合热电材料。（5）PbTe-Ce-Te和PbTe-Ce-Sb两个赝三元体系富PbTe角在873K的等温截面实验研究。（6）利用了基于密度泛函的第一性原理对CaX2Si2 (X= Ni, Zn, Cu, Ag, Au)，XSbTe2 (X=Ag, Na and K)，RMxAl1-xN (RM=Ta, Mo and W)的物理性能进行了计算研究。（7）利用平衡态分子动力学方法对Cd1-xAxTe (A=Zn, Hg; x=0, 0.25, 0.50, 0.75, 1)体系的热导率进行了计算模拟。（4）结合第一原理计算、CALPHAD技术以及实验手段对Au-Ce-Sn以及Au-Cu-Sn等四个体系进行了热力学优化，获得了高度自洽的热力学参数，为Au基电子封装材料的进一步开发奠定了基础。