SnSe基材料的溶液合成及热电性能研究

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热电材料能实现热能与电能之间的直接相互转换,在废热回收发电及热电制冷领域应用广泛。由于具有组成元素环境友好、性能优异等优点,SnSe基热电材料近年来受到热电领域广泛关注。相比于SnSe单晶,SnSe多晶的热电优值(zT)相对较低,提升其zT值很有必要。另外,SnSe多晶往往采用耗时、耗能的高温熔融退火法制备,其高成本不利于实际应用。因此,本文采用“自下而上”的溶液合成法制备成分可调控及复合还原氧化石墨烯(rGO)的SnSe基热电材料,通过对其电、热输运性能进行相关研究,为提升SnSe基多晶材料的热电性能奠定基础。
  本文的主要研究内容如下:
  ①采用温和简易溶液法原位制备了一系列rGO含量可调控的SnSe/rGO纳米复合材料。多种表征手段证明了氧化石墨烯(GO)被成功还原为rGO并引入至SnSe基体中。rGO/SnSe界面增强了声子散射,降低了晶格热导率,且rGO的引入可提升母体材料低温区电导率。例如,rGO含量为0.5wt%的样品的电导率在473K下达到8000S m-1,比未复合样品(3000S m-1)提高了50%以上;最终在rGO含量为0.1wt%的样品获得最高功率因子(0.6mW m-1K-2)。在所有样品中,rGO复合量为0.3wt%的样品在773K和823K分别获得了最低晶格热导率(0.36W m-1K-1)和最高zT值(0.91),该zT值比母体提升了47%。
  ②利用多步水相阴离子交换法结合快速烧结制备了SnS0.1Se0.9-xTex(x=0.02,0.05,0.08)四元化合物。源于室温载流子浓度提升,少量Te固溶能有效提升母体材料低温区电导率。SnS0.1Se0.88Te0.02在373K获得最高电导率,为5760S m-1,相较于母体(~4000S m-1)提高了41%,并在423K获得最高的功率因子(0.54mW m-1K-2)。样品的热电性能通过Te固溶量调控得以优化,最终SnS0.1Se0.88Te0.02样品的峰值zT达到0.43(773K)。
  ③通过一步溶剂热法结合烧结工艺合成了SnSe1-xSx(x=0,0.1,0.2,0.3)三元微米片材料。源于S与Se原子的质量和尺寸差异,S固溶SnSe样品在低温区的晶格热导率明显降低。其中,SnSe0.7S0.3的室温晶格热导率为~1.1W m-1K-1,比母体(1.35W m-1K-1)降低了~20%。同时,由于S成功固溶到Se位增加了载流子浓度并最终提升了母体材料电导率。例如,SnSe0.9S0.1样品的室温电导率为~4500S m-1,比母体SnSe(~3000S m-1)增加了50%,峰值功率因子达到0.58mW m-1K-2。通过S固溶量调控,最终在SnSe0.9S0.1和SnSe0.8S0.2样品获得了0.7的zT值(773K),比SnSe(0.55)提高了30%。
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