Ca1-x-δSrδLaxAg1-ySb(0≤δ≤0.7)Zintl相体系基于缺陷工程的结构转化和热电性质研究

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随着工业化进程的不断深入,传统化石能源将难以满足人类生产生活所需,同时,由于能源转化效率较低,大量的能量以热量的形式溢出,随之产生了越来越多的环境问题。在这种现状下,热电材料作为一种可以实现热能与电能相互转化的半导体功能材料,近年来受到越来越广泛的关注。由于热电材料具有大量的材料体系,覆盖了较为广泛的应用温度范围,可以实现低温制冷,工业生活废热发电,也可以用于深宇宙探测,体表可穿戴式发电等等,可以实现有限资源的更高效的利用。  Zintl相化合物Ca1-xRExAg1-ySb(RE=La,Ce,Pr,Nd,Sm;0≤x≤1;0≤y≤1)是一个具有良好热电潜能的材料体系,这归因于RE掺杂引入了更多的Ag缺陷,使CaAgSb结构从正交晶系TiNiSi型向六方晶系LiGaGe型相变。此外,也可以通过Ce含量控制Ag缺陷结构进而影响材料晶体结构的变化,这一灵活的结构为热电材料性能优化提供了更多的可能性。但是,对这些结构性变化的探索尚不完善,相关的结果和机制尚不明确。本文中,我们继续从缺陷结构和层结构两方面对Zintl相化合物Ca1-xRExAg1-ySb(0≤x≤1;0≤y≤1)体系进行性能优化并深入讨论该“1-1-1”体系的结构变化,具体研究内容如下:  1.由于Ag缺陷的产生对材料的电子能带结构和电子传输性能产生了重要影响。因此,针对于缺陷的调控对材料的热电性能优化具有重要意义,在Ca0.85La0.15Ag1-ySb材料的基础上继续对该体系的Ag缺陷进行调控,设计并采用高温熔炼法,通过两步反应合成Ca0.85La0.15Ag1-ySb(0.11≤y≤0.13)体系材料,确定最优的Ag缺陷浓度为0.11,在860K下该浓度下材料zT值为0.52。  2.进一步调整缺陷,探索更多的结构性机制,设计合成了Ca0.85-δSrδLa0.15Ag0.89Sb(0≤δ≤0.7)系列材料。发现在锶含量较宽的范围内,随着结构内[AgSb]层的逐渐共面化,层的“褶皱”逐渐拉平,观察到从LiGaGe型到ZrBeSi型的结构转变,进一步丰富了这个三元“1-1-1”结构系统,并确认该系统的结构灵活性。通过Sr的掺杂,载流子浓度显着降低,从而导致塞贝克系数和电阻率增加。其中,对于材料Ca0.55Sr0.3La0.15Ag0.89Sb,在823K时获得的最大zT为0.7,在774-1068K温度范围内平均热电优值为0.66,具有良好的应用前景。  3.继续对“1-1-1”材料体系进行扩充,采用高温熔炼技术成功获得一系列不同比例Mg,Na掺杂的SrAgSb基材料,并对其热电性质进行了初步探索。
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