林賽斯(上海)科學儀器有限公司
n型Sb合金SnSe熱電多晶中納米結(jié)構和導熱系數(shù)降低的證據(jù)
檢測樣品:n型Sb合金SnSe
檢測項目:納米結(jié)構 導熱系數(shù)
方案概述:SnSe的熱導率通過三種獨立的技術進行表征,以確保室溫下的Sn0.8Sb0.2Seκ~0.6W/mK。使用LinseisLFA1000儀器測量了x=0.2合金在300K≤T≤800K溫度范圍內(nèi)的熱擴散率(α)。
【引言】
高效清潔的能源生產(chǎn)是當前最大的挑戰(zhàn)之一。能源回收可以而且應該在這方面發(fā)揮重要作用。分布式高質(zhì)量中溫源(即400℃以上)產(chǎn)生的余熱是一種寶貴的資源,應該加以回收。熱電發(fā)電機(TEG)將廢熱轉(zhuǎn)化為有用的電能,對這一點至關重要。TEG有許多優(yōu)點:它們操作簡單,安靜,健壯,具有可擴展的體系結(jié)構。然而,目前的材料效率低下,因此三甘醇還不具有成本效益。TEG利用Seebeck效應將溫度梯度轉(zhuǎn)換為電壓,同時使用p型和n型半導體串聯(lián)和并聯(lián)熱連接。
【成果介紹】
SnSe是一種具有吸引力的熱電材料,具有高的正Seebeck系數(shù)。在這里,我們描述了通過直接電弧熔煉技術制備的Sn1–xSbxSe金屬間化合物合金的合成、結(jié)構、顯微和熱電特性。合成了Sb摻雜的硒化錫納米顆粒。中子衍射研究表明,Sb位于Sn亞晶格中,濃度高達30%,并產(chǎn)生大量Sn空位,而層間距的增加有利于納米結(jié)構的形成。這種材料是納米結(jié)構,既有平面外的納米尺度層,也有平面內(nèi)的納米尺度層∼這些層的5 nm起伏。這種納米結(jié)構,加上Sn空位數(shù)量的增加,使得熱電材料的熱導率降低。根據(jù)高分辨透射電子顯微鏡觀察到的納米結(jié)構,從低溫、熱導率和比熱的角度估計聲子平均自由程約為2nm。SnSe的熱導率通過三種獨立的技術進行表征,以確保室溫下的Sn0.8Sb0.2Seκ∼ 0.6W /mK。使用Linseis LFA 1000儀器測量了x=0.2合金在300K≤ T≤ 800 K溫度范圍內(nèi)的熱擴散率(α)。新制備的摻銻化合物表現(xiàn)出電荷載流子類型的突然變化,導致較大的負Seebeck系數(shù),盡管電弧熔融合成的顆粒對于熱電應用仍然具有太大的電阻。冷壓球團在室溫下演變?yōu)閜型,但在500K左右可重復地轉(zhuǎn)變?yōu)閚型,電導率和觀察到的最大優(yōu)值ZT增加∼ 908 K時為0.3。
【圖文導讀】
圖1:(a) 生長態(tài)Sn0.8Sb0.2Se,空間群Pnma中Rietveld細化的XRD圖譜。觀察到強烈的擇優(yōu)取向,增強了[h00]反射。插圖顯示了所有Sn1–xSbxSe(x=0.1、0.2、0.3、0.4)化合物的XRD圖譜(b) Sn0.8Sb0.2Se在室溫下的中子粉末衍射(NPD)剖面的觀測(十字)、計算(實線)和差異(底部)。
圖2:隨著摻雜濃度(x=0.1,0.2,0.3,0.4)的變化,生長態(tài)Sn1–xSbxSe的晶胞參數(shù)演變(a) a參數(shù),(b)b參數(shù),(c)c參數(shù),(d)單位細胞體積。
圖3:含95%概率位移橢球的Sn0.8Sb0.2Se晶體結(jié)構。
圖4:生長態(tài)Sn0.8Sb0.2Se的SEM圖像,顯示由血小板(垂直于[100]方向)組成的納米結(jié)構,放大倍數(shù)為(a)×16 000和(b)×10 000,顯示典型的血小板厚度在10和40 nm之間。
圖5:(a)Sn0.8Sb0.2Se的熱導率,通過PPMS中的四探針絕熱TTO技術、3ω-技術和熱擴散率(激光閃光)測量,以及(b)僅通過TTO PPMS技術測量Sn1–xSbxSe(x=0,0.1,0.2,0.3,0.4)的熱導率,誤差條(未顯示)與面板(a)的誤差條相似。
圖6:Sn0.8Sb0.2Se(a)兩個樣品的Seebeck系數(shù)與溫度的關系,測量了幾次(b)電導率,(c)功率因數(shù),和(d)優(yōu)值。
【結(jié)論】
采用簡單的方法制備了一系列Sn1–xSbxSe金屬間化合物,得到了高納米結(jié)構的樣品。中子衍射研究揭示了組成晶體結(jié)構的層內(nèi)共價性增加(垂直于晶體學軸),而層間距離增加,有利于摻銻材料的納米結(jié)構。大量擴展晶界的存在對熱輸運和電子輸運有兩個主要影響。系列中的所有成員都觀察到了較大的電阻率值,這對熱電性能是不利的。另一方面,熱導率極低,遠低于文獻報道的SnSe值。此外,Sb摻雜顯著影響了原始樣品中由正空穴演化而來的載流子的符號,達到了668μvK−1在380 K時,對整個系列中的電子載流子,在370 K, x=0.1時達到−306μvK−1。從頭算計算表明,Sb摻雜會導致Sn的缺乏,從而預測了這種行為。Sn空位處的電荷俘獲降低了Sb摻雜改變電子性質(zhì)的效率。然而,它可能有助于減少晶格熱導率淬滅光學聲子對點缺陷散射,指向一個PGEC。n型SnSe摻雜材料的描述是重要的,因為TEGs的實現(xiàn)需要兩種類型的載流子并聯(lián)的材料耦合。
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