快离子导电机制对N型Li掺杂Ag2S基“声子液体”类热电材料相转变温度及电声输运特性的影响

“Phonon liquid”thermoelectric materials are one kind of new thermoelectric materials with high performance, which own extremely low lattice thermal conductivity due to their special crystal structure. In this project, Ag2S based semiconductors are investigated as one kind of typical n-type “phonon liquid” thermoelectric materials. The effect of structural phase transition of Ag2S at high temperature on thermoelectric properties is researched, and the coordinate improvement mechanism of both thermal and electrical properties by the liquid-like sublattice and superionic conductivity of Ag ions is investigated. Due to Li+ is easier for superionic conductivity than Ag+ at lower temperature, the phase transition temperature of Ag2S can be regulated by Li doping, and the mechanism is also researched. Finally, to obtain high performance Ag2S-based n-type “phonon liquid” thermoelectric materials, the influence of Li doping amount on the thermal and electrical properties is investigated. This project is favorable to develop new kind of thermoelectric materials and to optimize their thermoelectric performance.

“声子液体”类热电材料是一种利用特殊晶体结构获得极低晶格热导率的新型高性能热电材料。本课题拟对N型硫化银半导体进行研究，探究高温下Ag2S的结构性相转变对热电性能的影响，揭示Ag离子的类液态亚晶格与快离子导电机制对材料电、声输运性能协同调控的机理，明确Ag2S是一种典型的N型“声子液体”类热电材料；并通过采取Li掺杂的手段，利用Li离子在较低温度下更容易发生快离子导电的特点，对Ag2S的相转变温度进行调控，揭示相关调控机理；探究Li掺杂量对材料电、热输运性能的影响规律，最终获得性能优化的N型Ag2S基 “声子液体”类热电材料。本项目的实施，对于新型高性能热电材料的开发利用与性能优化具有指导意义。

“声子液体”类热电材料由于其特殊的高温相结构可获得极低的晶格热导率，成为近年来一类新型热电材料。但该类材料仍存在热电性能有待进一步提高和优化的问题，因此，本项目针对P型Cu2Se基和N型Ag2S基热电材料进行了热电性能的优化以及微观结构的调控。主要研究内容与成果包括：一、采用高温熔炼结合放电等离子体烧结技术获得了N型Ag2S基热电材料，确定了其相变机制，并通过Se固溶的方法使其热电性能提高了约20%；二、采用Ag快离子对Cu2Se进行掺杂，探究了快离子掺杂对材料电、声输运特性的影响，结果表明适量的Ag快离子掺杂可调控Cu2Se材料的相变温度，并对热电性能起到优化作用；三、采用Te元素对Cu2Se的Se位进行掺杂，但是结果表明Te的掺杂并没有优化材料的电声输运特性；四、通过改变Cu2Se的颗粒尺度对其烧结块体的微观层状结构进行调控，探究了结构的变化对材料热电性能的影响，结果表明颗粒尺寸越大、层状结构越明显，材料内部快离子特性越强，越有利于材料的电、热输运性能的协同调控，热电性能越高。表明通过改变Cu2Se的颗粒尺寸可以在一定程度上实现材料微观结构与热电性能的优化。该项目的实施对于声子液体类热电材料的发展与应用具有较重要的意义。