摘要
热电材料是能够将热能和电能相互转换的一种环保功能材料。Cu-S基热电材料因自身原料储备大、价格低廉、无毒无害，被认为是一种非常有使用前景的热电材料。Cu-S基热电材料自身具有较低的热导率，同样因其较低的热导率也使得其应用前景被大大受限。Cu-S基热电材料作为一种“类液态”材料，在电场和热场的情况下，Cu离子在S离子组成的晶格中快速移动，使得Cu/S的比例与设计的Cu/S比例存在偏差，并且会存在Cu析出的情况。现如今制备热电材料块体的方式大多是放电等离子烧结和热压烧结，本文试图寻找出使用操作简单、环保方便的溶剂热法和管式炉烧结相结合的方式的最优条件，并且分别通过掺杂等价的Ag+和K+、二价的Sn2+，通过使用X射线衍射仪、扫描电镜和X射线光电子能谱等表征仪器研究它们对纯相Cu2S材料和掺杂的Cu2S材料的物相结构、形貌、元素价态，利用测试热电性能的相关仪器探究本征状态和金属离子掺杂后热电输运性能的影响。具体内容如下： (1)使用溶剂热法和管式炉烧结相结合这一简单环保的制备工艺，成功合成出一系列Cu2S基热电材料，通过对升温速率、烧结时间和降温速率的调控，找到烧结的最佳条件。通过对样品进行XRD和SEM进行物相和形貌分析，通过测试热电输运性能对热电性能的分析，证实在以3℃/min进行升温在700℃保温2h下制备出来的样品具有最优的热电性能，在773K时可以达到0.22。 (2)制备了掺杂不同浓度Ag+的Cu2S块体材料，实验结果表明：对于Ag+的引入，可以有效降低Cu2S的晶格热导率，并且有利于提升载流子浓度，但由于大离子半径的Ag+引入，阻碍了Cu+的自由无序的移动，使得热电优值没有明显的提升，在773K时，最大ZT值达到0.21。 (3)通过掺入拥有较大离子半径Ag+的研究结果，发现改善带隙宽度和增强声子散射，有助于提升载流子浓度和降低晶格热导率，但是由于阻碍Cu+的迁移使得ZT值并未有所优化。因此制备了掺杂不同浓度离子半径较小的K+，实验表明：对于碱金属K+的引入，形成了小的微孔，这有利于降低晶格热导率，并且使得禁带宽度减小，增加了载流子浓度，使得热电优值有所提升，在773K时达到0.26。 (4)为了探究重金属掺杂对于Cu2S材料热电性能的影响，制备了掺杂不同浓度Sn2+的Cu2S材料。实验表明：对于Sn2+的引入，由于较弱的化学键激发了更多的Cu+的迁移，并且形成的微孔和部分S的挥发降低了晶格热导率，在773K时最大ZT达到0.51。 本文通过掺杂多种金属离子综合增强了Cu2S热电材料的性能，并且深入分析了性能增强机理，为Cu-S基热电材料体系的性能优化提供借鉴。
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