N型赝三元半导体掺Sn复合材料的微观结构与热电性能.pdf

第 卷哈尔滨师范大学自然科学学报，第 期 型赝三元半导体掺 复合材料的微观结构与热电性能成泓宣，胡建民（哈尔滨师范大学）【摘 要】将 粉与 型赝三元半导体粉体材料按一定比例混合，在 和 压强条件下热压制备 型赝三元半导体掺 复合材料分析材料的微观结构和热电性能结果表明，掺入 后 衍射峰没有发生偏移，系数降低而电导率和热导率升高，这主要是掺 引起载流子浓度的显著升高导致的【关键词】型赝三元半导体；金属；热电性能【中图分类号】【文献标识码】【文章编号】（）收稿日期：基金项目：黑龙江省自然科学基金项目（）；哈尔滨师范大学研究生培养质量提升工程项目资助通讯作者 引言工业迅猛发展带来高质量生产生活，同时能源短缺、环境污染问题日渐严峻，促使人类积极寻求开发可持续清洁能源来应对挑战用热电材料制造的热电器件可以实现热能与电能转化，具有寿命长、易控制、绿色、轻便等优点基热电材料是当前室温条件下热电性能最优、制备技术最成熟的热电材料 大量文献报导表明掺杂法是提高其热电性能的有效手段，曹显莹采用机械合金化法制备 掺杂 基热电材料，研究表明当掺杂浓度为 时，材料的功率因子达到，与未掺杂样品相比显著提高，对热电优值的提高有正向作用，刘瑞琪采用机械合金化法制备 掺杂 基热电材料，研究表明当掺杂浓度为 时，材料的热导率达到 ，与未掺杂样品相比显著降低，对热电优值的提高有正向作用，掺杂元素以化合的形式存在刘瑞雪制备 掺 基热电材料，研究表明当掺杂浓度为 时，材料的热电优值达到，掺入元素以混合形式存在，目前文献对绝缘体掺入已有研究，而金属掺入未见报导 为金属元素，具有高导电性的特点，掺入后有望提高材料的电导率，同时引入的大量缺陷也可能优化 系数和热导率，因此该文采用湿混热压成型工艺制备 型赝三元半导体掺 复合材料，通过对样品进行微观结构和热电性能测试，分析掺 对 型赝三元半导体材料热电性能的影响 实验将一定粒度的 粉与 型赝三元半导体粉末以 的比例称量即 的浓度为 ，总质量为 ，将其放入装有乙醇溶液的烧杯中第 期 型赝三元半导体掺 复合材料的微观结构与热电性能充分搅拌混合，烘干后得到 型赝三元半导体掺 复 合 材 料 粉 体，每 次 取 样 品 在 温 度，压强 条件下热压制备 型赝三元半导体掺 复合材料块体，切割得到?和?的待测样品分别用于热导率和电导率测试该文通过 和霍尔效应分析微观结构和载流子浓度，参考部颁标准 测试样品的 系数、电导率和热导率分析材料的热电性能 结果与讨论 分析与载流子浓度测试图 是掺 前、后的 型赝三元半导体材料 图谱，其中曲线 是未掺 的 型赝三元半导体材料的 图谱，曲线 是 浓度为 的 型赝三元半导体掺 复合材料的 图谱由图 可见，掺入前后衍射峰没有发生偏移，此外还有 的单质峰出现，说明 与 型赝三元半导体材料混合经热压成型后并没有化合霍尔效应测试发现，掺 前、后的 型赝三元半导体复合材料的载流子浓度分别为 和 由此可见，掺 使材料的载流子浓度得到明显升高金属 中的电子浓度远高于 型半导体材料中的电子浓度，从而掺 使材料的综合载流子浓度显著提高图 型赝三元半导体掺 复合材料的 图谱 热电性能结果分析表 是热压温度为 、条件下，掺 前、后 型赝三元半导体材料的 系数、电导率、热导率和热电优值由表 可见，掺 使材料的 系数降低、电导率和热导率升高由于金属 中的自由电子浓度远高于半导体，从而其电导率也更高金属 粉体与半导体材料粉体混合后，的晶粒与半导体材料晶粒接触形成晶界即掺 会在材料中引入大量缺陷，从而会使载流子的散射效应增强，这会引起 系数增高、电导率和热导率降低表 不同掺杂浓度的材料的 系数掺杂浓度 系数 电导率 热导率 热电优值 根据 系数的表达式 ()|（）（）式中，表示 系数，、均为固定值，表示载流子浓度，表示有效质量，表示散射因子由式（）可知 系数与载流子浓度负相关，掺入使样品材料的载流子浓度明显增大当掺 引入缺陷对材料 系数的影响小于载流子浓度增高对材料 系数的影响时，最终导致材料的 系数减小根据电导率 ，其中 表示载流子浓度，表示载流子迁移率可见，掺 使样品材料的载流子浓度明显提高从而导致材料的电导率增高热导率包括电子热导率和晶格热导率两部分，即，其中 表示热导率，表示载流子热导率，表示晶格热导率，表示洛伦兹常数，表示绝对温度，表示比热容，表示声速，表示声子的平均自由程由此可知，热导率与电导率相关，掺入使样品材料的哈尔滨师范大学自然科学学报 年 第 卷电导率明显增大，载流子热导率增大，而晶格热导率不受热电参数影响几乎不变，导致材料的热导率增大当掺 引入缺陷对材料电导率和热导率的影响小于载流子浓度增高对材料电导率和热导率的影响时，最终导致材料的电导率和热导率的增大掺 对 型赝三元半导体材料热电优值的影响由 系数、电导率和热导率共同决定，即 掺 使材料的 系数降低，电导率和热导率升高，总体上导致材料的热电优值降低 结论该文采用湿混热压成型工艺制备 型赝三元半导体掺 复合材料，进行微观结构分析表明，在 型赝三元半导体材料中主要以单质形式存在，而霍尔效应分析发现掺 后材料的载流子浓度显著提高热电性能测试结果表明，掺 使材料的 系数减小，电导率和热导率增高，这主要是掺 使材料的载流子浓度增高导致的此外，掺 浓度为 的情况下也使材料的热电优值有所减小，更为具体的结论尚需要进一步深入研究参 考 文 献于凤荣，陈思彤，刘文鑫，等热电材料的研究现状与发展趋势燕山大学学报，（）：石玥，高方圆，董国波新型高效热电材料研究进展金属功能材料，（）：，（）（）（），（）：刘瑞琪，柴森，李航，等 掺杂 基热电材料的制备及其热导率研究科学技术创新，（）：刘瑞雪掺 型赝三元半导体材料的微观结构与热电性能哈尔滨师范大学，（）：，：；（责任编辑：季春阳）