摘要
传统中温型热电材料碲化铅(PbTe)及其固溶体具有极高的热电性能，发展研究也较为成熟，但高含量毒性铅元素严重限制了其进一步的应用。与PbTe具有相同的晶体结构和类似价带结构的SnTe逐渐作为PbTe的替代品进入我们视野。本文以SnTe基热电材料作为研究对象，采用新型熔炼工艺，通过双元素共掺杂（Mn-Sb和Ge-As）来调节SnTe的能带结构，引入能带收敛提高材料Seebeck系数，改善其功率因子，增大带隙来优化热导率，最终通过协同电热输运性能调控优化了SnTe的热电优值。主要研究成果如下: （1）本文通过一步熔炼法结合SPS烧结设备成功制备出了高热电性能的环境友好型SnTe样品。研究发现Sn自补偿结合Mn和Sb双掺杂Sn1.03-2xMnxSbxTe(x=0,0.02,0.04,0.06,0.08)样品结果：自补偿效应填充本征Sn空位，降低了载流子浓度，而Sb3+取代Sn2+提供大量额外电子，补偿了本征锡空穴浓度，再次调节载流子浓度至最优值；Mn元素掺杂导致轻重价带之间能带收敛以此改善能带结构，使SnTe样品的塞贝克系数和功率因子显著增加，同时使带隙变宽，有效抑制了双极热导。在873K时，协同优化的电和热传输性能使其在873K时取得了1.4最高的ZT值，在300K-873K的温度区间平均ZT也取得了约0.56的优异成果。 （2）通过熔炼法制备出高性能Ge-As共掺杂多晶SnTe样品，在提高Seebeck系数的同时，大幅度降低了晶格热导率。Seebeck提升主要来源于Ge-As共掺杂显着降低了轻重价带间的能量差，提高了空穴的有效质量，实现SnTe的轻重价带的能带收敛，同时增加了带隙，抑制了双极效应，优化了热导。权重迁移率的增大也证明了样品电性能的优化。最终在873K温度下掺杂量2%的样品热电优值最高达到了0.74。
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