PbTe-SrTe-M2Te（M=Na, K）赝三元系相关系及微结构研究

PbTe-SrTe-M2Te（M=Na, K）体系纳米复合热电材料具有优异的热电性能。纳米尺度的夹杂相SrTe弥散内延镶嵌生长在母相中，有效增加了声子散射，同时对载流子的输运几乎没有影响，因而热电优值显著增大。纳米夹杂相SrTe的分布、微结构和界面，以及掺杂相碱金属碲化物的存在形式、晶体结构等对热电性能产生重要影响。本项目拟通过对PbTe-SrTe-M2Te（M=Na, K）赝三元系固相线下相关系、相关赝二元系相图及其微结构的研究，阐明纳米夹杂相SrTe的析出机制和内延镶嵌生长机理，揭示掺杂碱金属碲化物影响PbTe-SrTe体系热电性能的内在物理本质，进而实现该体系热电性能的优化，获得高热电优值纳米复合材料的制备工艺和配方，指导类似的高效纳米复合热电材料的设计和制备。

PbTe体系是中温区最好的热电材料之一，特别是最近热电优值已经突破2，其热电器件将具有巨大的应用前景，因而受到广泛关注。PbTe基热电材料发展的主流趋势是半导体能带调控优化电输运性能和多尺度复合降低晶格热导率。因此，本项目的研究计划要点是PbTe基复合热电材料的相关系、微结构及其电热输运性能，关键问题是澄清该复合热电材料体系中固溶体或第二相对电热输运性能的影响机制。围绕该关键问题，我们对几种PbTe基热电材料体系进行了系统研究：（1）研究了PbTe-PbS体系的调幅分解现象，并利用其微结构特征有效降低了晶格热导率，进一步地通过掺入少量Ag2Te调控了电输运性能，获得了高达1.2的热电优值，为类似材料的设计、制备和性能优化提供了指导和依据；（2）研究了PbTe-MnTe-Na2Te体系的微结构及其对热电性能的影响，通过固溶到基体中的Mn调控了价带简并度，利用析出相改善了材料的热电性能和机械性能，维氏硬度比纯PbTe提高了71%，最大热电优值达到1.5，尤其是平均热电优值显著提高，这些对该体系的实际应用具有重要意义；（3）设计和制备了PbTe-SrTe-MnTe-Na2Te体系热电材料，系统研究了该体系的微结构和电热输运性能，综合利用PbTe-SrTe体系低热导和PbTe-MnTe良好电输运性能的特点，协同优化了热电性能，获得了高达1.98的热电优值，并实现了该体系平均热电优值的大幅度提高；（4）研究了Ag2Te-Cu2Te体系的结构相变、晶体结构和热电性能，利用Cu部分替代Ag，展宽了Ag2Te的带隙，并提高了空穴浓度，抑制了少数载流子的激发，降低了热导率，得到了高达1.39的热电优值，使得Ag2Te-Cu2Te体系成为具有巨大潜力的热电材料；（5）设计了Mn掺杂的Ag2Te-Sb2Te3体系热电材料，通过成分设计，有效控制了样品中存在少量弥散均匀分布的Ag2Te第二相，并利用Mn取代Sb进一步优化了电热输运性能，最终在该体系中获得高达1.2的热电优值。