掺杂提高Pb(Te,Se)基材料宽温域热电优值的研究

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1、硕士学位论文掺杂提高Pb(Te,Se)基材料宽温域热电优值的研究RESEARCHONENHANCINGTHETHERMOELECTRICFIGURE-OF-MERITOFPB(TE,SE)BASEDMATERIALSBYDOPINGINAWIDETEMPERATURERANGE王心宇哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TG132.2学校代号：10213国际图书分类号：669.2密级：公开工学硕士学位论文掺杂提高Pb(Te,Se)基材料宽温域热电优值的研究硕士研究生:王心宇导师:张倩教授申请学位:工学硕士学科:材料工程所在单位:深圳研究生

2、院答辩日期:2018年6月授予学位单位:哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TG132.2U.D.C.:669.2AdissertationsubmittedinpartialfulfillmentoftherequirementsfortheacademicdegreeofMasterofEngineeringRESEARCHONENHANCINGTHETHERMOELECTRICFIGURE-OF-MERITOFPB(TE,SE)BASEDMATERIALSBYDOPINGINAWIDETEMPERATURERANGECandid

3、ate：WangXinyuSupervisor：Prof.ZhangQianAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MaterialsEngineeringAffiliation：ShenzhenGraduateSchoolDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学硕士学位论文摘要热电材料是一种能够将热能与电能直接相互转换的功能材料。热电材料在航

4、空航天，生物医疗等诸多领域有着不可替代的应用。平均热电优值是表征热电转换效率的重要物理参数，因此，获得在宽温度范围内具有高平均热电优值的材料对科学研究和实际应用意义重大。本文的主要研究目的是提高宽温域内PbSe和PbTe基材料的平均热电优值。提出了采用过渡族金属元素掺杂提高PbSe基热电材料平均热电优值的方法。所选掺杂元素位于元素周期表第四周期至第六周期，第IVB族至第VIB族，分别为Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta和W。对系列样品进行了系统地实验研究与理论计算验证。过渡族金属元素掺杂PbSe均为n型掺杂，通过调节各种过渡元素掺杂含

5、量获得九种掺杂样品的最优热电优值。研究发现，Ti、Zr和1920-3Nb掺杂样品的室温载流子浓度可以达到~10-10cm，在873K时，Ti0.015Pb0.985Se，Zr0.005Pb0.995Se和Nb0.01Pb0.99Se均达到峰值热电优值，分别为~1.1，~1.15和~1.2。但是，该三种掺杂样品的低温段热电优值（<600K）均低于其余过渡族金属元素（V、Cr、Mo和W）掺杂样品的热电优值。较高的室温热电优值使得V、Cr、Mo和W掺杂PbSe具有较高的平均热电优值，这可能是1819由于该四种掺杂元素在PbSe中具有较低掺杂限和较低载

6、流子浓度（~10-10-3cm）。同时，通过第一性原理计算发现，九种元素掺杂PbSe中均会产生共振能级，但是由于掺杂元素的掺杂限导致产生的杂质能级很难够到共振能级。实现了利用深浅能级共同掺杂优化PbTe基材料宽温域载流子浓度，提高其平均热电优值的目的。载流子浓度是影响材料热电性能的重要因素，不同温度下的最优载流子浓度不同，然而，传统掺杂仅能获得固定载流子浓度。采用深浅能级共同掺杂可以使载流子浓度随温度变化，使材料在不同温度时均可获得最优载流子浓度，显著提升材料在宽温度范围内的平均热电优值。深能级掺杂元素选择In，浅能级掺杂元素选择Na与Ga。I

7、n元素在PbTe中产生深能级杂质态，Na元素与Ga元素提供载流子。In元素形成的深杂质缺陷能级处于半充满状态，因此，可以在低温时束缚浅能级掺杂提供的空穴或电子，高温时再将空穴或电子释放出来。这样便可以获得随温度变化的载流子浓度，通过调节掺杂元素量，可以调节不同温度下的热电优值。873K时，In0.005Pb0.995Te0.9925Ga0.0075的峰值热电优值可以达到1.2，同时室温热电优值可以达到0.35。关键词：平均热电优值；掺杂；深浅能级掺杂；过渡族金属元素-I-哈尔滨工业大学硕士学位论文AbstractThermoelectricma

8、terialisakindoffunctionalmaterialthatcandirectlyconvertheatenergyintoelectr