纳米晶掺杂BiSb基低温热电材料晶格热导率与微结构之关联

近年来，随着航空航天、信息技术和超导技术以及微电子技术的发展，结构简单、无污染、无磨损、无噪声体积小的半导体制冷器又引起了人们的重视。制备出在低温下具有较高制冷效率的半导体制冷器件，降低材料晶格热导是热电材料研究的主要问题。本项目选择低德拜温度及大原子半径元素作为Bi-Sb合金掺杂元素，通过机械合金化和放电等离子方法制备纳米晶热电材料块材，研究纳米化结构对宏观热电性能的影响。通过4.2K-300K低温区比热、热导、载流子输运性能的研究，获得晶格热导信息，结合原子层面微结构、晶体缺陷分析及与声子散射的关联，建立纳米结构化对降低晶格热导的作用机制，特别关注材料在低温下热电系数、电导和热导三个物性的行为及之间的依赖关系。重点研究微观结构和晶体缺陷对低温下材料晶格热导行为的影响，以期对全温区热电材料热导与纳米化微结构的一般规律有借鉴，从而指导获得在低温高性能热电材料的设计方法。

热电材料在低温制冷技术中有着广泛的应用前景。在本项目中选择低德拜温度及大原子半径元素作为Bi-Sb合金掺杂元素，采用机械合金、高压和放电等离子（SPS）方法制备出Bi85Sb15-xMx（M=Nb、K、Re、Ce、Pd、Pb等）纳米晶块材。初步研究结果表明：在烧结温度为523K，压力为50 MPa, 烧结时间为20分钟SPS合成的Bi85Sb15-xKx块材在温度为115 K低温温区具有较大Seebeck系数，其Seebeck系数绝对值可达到155.98μV/K，比Bi85Sb15样品在同温度下高出12.6%，Bi85Sb13K2样品的功率因子在210.7 K达到最大值5.67×10-3W/(mK2)，比Bi85Sb15样品在相同温度下高出近20%，ZT值在225.67 K到达最大值0.411，比Bi85Sb15样品在相同温度下高出16.9%。这个结果比利用高压获得的Bi85Sb15-xKx样品热电性能好。这说明选择具有低德拜温度的K元素掺入Bi-Sb基热电材料，可以大幅度提高样品的热电性能。而掺Nb元素的样品Seebeck系数的绝对值在小于130 K的温度范围内都比不掺杂样品高，Bi85Sb13Nb2样品在80 K时，Seebeck系数的绝对值达最大值163.2μV/K，比不掺杂样品在相同温度下高出19.6%，在温度为125.5 K时其功率因子达最大值5.98×10-3W/(mK2)，比不掺杂样品在相同温度下高出16.5%。这是目前在该温度下具有的较高功率因子值，比5GPa高压获得的Bi85Sb13Nb2样品在相同温度下的功率因子高出46.5%，说明利用SPS烧结和合理的成分设计，可以提高热电材料的热电性能。结合X-射线衍射分析、扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM） 对材料微观组织结构进行分析，研究微观结构和晶体缺陷对低温下材料晶格热导行为的影响，测试了Bi85Sb15-xKx材料的比热和霍尔系数，特别研究了材料在低温下热电系数、电导和热导三个物性的行为及之间的依赖关系，这一结果为获得在低温下具有高性能热电材料的设计方法提供了理论和实践指导。