Mn-In-Cu共摻雜優化SnTe基材料的熱電性能*

黃青松 段波? 陳剛 葉澤昌 李江 李國棟2) 翟鵬程2)

1) (武漢理工大學, 新材料力學理論與應用湖北省重點實驗室, 武漢 430070)

2) (武漢理工大學, 材料復合新技術國家重點實驗室, 武漢 430070)

1 引 言

熱電器件能實現熱能和電能的相互轉化, 在廢熱回收利用、深海和深空電源及綠色制冷等領域有著巨大應用潛力[1].熱電器件的轉換效率主要由熱電材料的無量綱熱電優值zT決定:

其中σ為電導率, S為Seebeck系數, T是絕對溫度, 熱導率κ通常由載流子熱導率κc和晶格熱導率κL組成.由于S, σ和κc均與載流子濃度有關,相互耦合, 很難在其他參數不變的情況下對某一參數單獨調控.因此, 如何通過部分參數的解耦來優化材料的熱電性能一直是熱電材料研究面臨的挑戰之一.

PbTe基熱電材料作為最早被開發的傳統熱電材料之一, 具有較高的熱電性能, 得到了廣泛的研究[2,3], 但PbTe在高溫下不穩定, 且Pb易揮發污染環境, 這些問題限制了其應用.SnTe和PbTe是具有相似晶體結構和能帶結構的IV-VI族半導體材料, SnTe對環境的污染較小, 被認為是一種潛在的優良熱電材料.然而, 由于Sn空位的存在, 純SnTe的載流子濃度在1020—1021cm—3之間[4], 過高的載流子濃度使得材料的Seebeck系數較低, 且載流子熱導率較高.同時, 與PbTe相比, SnTe具有更小的帶隙(0.18 eV)和更大的輕重價帶之間的能量差(0.35 eV)[5], 導致嚴重的雙極擴散和更低的Seebeck系數.此外, 純SnTe還具有較高的晶格熱導率, 使得SnTe材料的本征熱電性能較低.

近年來, 人們在優化多晶SnTe熱電性能方面做了大量的工作.一種重……