强磁场下Zn4Sb3基中温热电材料组织改善及热电优值提升的作用机制

Zn4Sb3 is one of the most promising middle-temperature thermoelectric materials (TEs) due to its extremely low thermal conductivity and high electric conductivity. In this project, a novel method for fabrication of bulk Zn4Sb3-based TEs by solidification process in high magnetic field is proposed. The solidification experiments of the single Zn4Sb3, doped Zn4Sb3, and Zn-rich Zn4Sb3 alloys in high magnetic fields will be carried out. The effects of high magnetic fields on microstructural evolution (such as segregation of Zn, crystal orientation, grain size, lattice constant etc.) and thermoelectric properties (such as Seebeck coefficient, electric conductivity, thermal conductivity, figure of merit, etc.) will be investigated. The relationship between the microstructural evolution and thermoelectric properties will be analyzed. And the cooperation and competion relationship between the effect of high magnetic field and effects of the amount of doped element and Zn on the microstructural evolution and thermoelectric properties will be clarified. Moreover, the mechanism that high magnetic field affecting the microstructural evolution and thermoelectric properties, on the basis of Lorentz force and magnetizing effect, will also be clarified. Furthermore, in order to obtain the best thermoelectric properties, the optimum conditions of Zn content, doping concentration and high magnetic field will be determined. The results of this project will enrich the fundamental theory of materials processing in high magnetic fields, promote the fabrication of the Zn4Sb3 based TEs, and guide the application of high magnetic field on the fabrication of other TEs.

Zn4Sb3材料具有极低的热导率和较高的电导率，是最具有应用前景的中温热电材料之一。本项目提出一种强磁场下制备Zn4Sb3基块体热电材料的新方法，利用强磁场控制单相、掺杂和富Zn的Zn4Sb3的凝固过程，研究强磁场参数对Zn4Sb3材料中的晶体取向、晶粒尺寸、晶格常数、Zn偏析等组织结构变化和塞贝克系数、导热系数、电导率及最终的热电优值等热电性能的影响规律；分析强磁场下材料组织结构演化和热电性能变化的关系，并阐明掺杂浓度和富Zn量的作用效果同磁场作用效果之间的配合和竞争关系；揭示强磁场通过洛伦兹力、磁化作用对组织和性能的影响规律和作用机理；提出达到最佳热电优值的Zn成分、掺杂浓度和磁场参数。研究结果对于强磁场材料科学基础理论的完善、Zn4Sb3基热电材料的应用及强磁场在其它热电材料制备中的应用和发展具有重要意义。

Beta-Zn4Sb3基热电材料具有极低的热导率，是最具有应用前景的中温热电材料之一，目前关于Beta-Zn4Sb3基热电材料的研究多集中如何提高其热电性能方面。本项目提出了一种强磁场下缓冷制备Zn4Sb3基块体热电材料的新方法，研究了强磁场、掺杂In和富Zn对其微观组织和热电性能的影响规律。研究发现，强磁场通过洛伦兹力和磁化作用改变Beta-Zn4Sb3基热电材料的微观组织（纳米空洞、Zn空位、富Zn相的分布、晶体取向等），从而对热电性能（电阻率、塞贝克系数、功率因子、热导率和热电优值等）产生了一定程度的影响。在电学性能上，除富Zn量较高的样品外，磁场对功率因子的影响效果与Zn添加和In掺杂的影响效果大致相同。在热性能方面，强磁场有效降低了部分Beta-Zn4Sb3基热电材料的热导率。最终，热电优值最佳的是11.5T磁场下制备的单相Beta-Zn4Sb3热电材料。本项目研究结果对于强磁场材料科学基础理论的完善、Zn4Sb3基热电材料的应用及强磁场在其它热电材料制备中的应用和发展具有重要意义。本课题按照计划书的要求，顺利完成了研究计划要点包括的内容，根据本课题的研究结果，在国内外重要期刊上共发表SCI收录论文3篇；发表会议论文3篇，做邀请报告2次；课题执行期间，培养硕士研究生2人（毕业2人）。在课题执行期间，课题组同日本中部大学电子电气专业田桥正浩副教授开展了联合培养硕士生、 定期学术交流等方式的合作研究。