三位置掺杂对BiCuSeO功能陶瓷热电性能的影响

冯波

三位置掺杂对BiCuSeO功能陶瓷热电性能的影响

冯波

(武汉东湖学院，武汉 430070)

对BiCuSeO功能陶瓷进行Bi/Cu/Se三位置掺杂，采用机械合金化和放电等离子烧结工艺制备Bi1−xBa/2- Pb/2Cu1−xNiSe1−xTeO (= 0，0.02，0.04，0.06，0.08，0.10，摩尔分数)陶瓷，通过掺杂前后的物相组成、组织结构、电传输参数、热传输参数等表征，研究三位置掺杂对BiCuSeO功能陶瓷热电性能的影响和强化机理。结果表明，三位置掺杂可杂糅几种元素的增益效果，使BiCuSeO功能陶瓷保持较高Seebeck系数的前提下，电导率和功率因子显著提高。最佳掺杂量为0.10，所得Bi0.90Ba0.05Pb0.05Cu0.90Ni0.10Se0.90Te0.10O陶瓷在873 K温度下获得最高功率因子0.71 mW/(m·K2)和最大热电优值1.06，分别约为未掺杂陶瓷的2.5倍和2倍。

热电陶瓷；多掺杂；电传输性能；热传输性能；固溶强化；热电优值

热电材料是一种功能转换材料，无需传输元件即可实现热电转换，广泛应用于温度测量[1−2]、芯片制 冷[3−4]和废热发电[5−6]等领域。热电装置的热电转换效率为5%～13%，与传统的锅炉发电和压缩机制冷相比，发电效率较低，但由于其结构简单、无传动部件、体积小等特点，符合电子器件小型化的发展趋势。在许多特殊场合需要热电转换装置，如航天飞行器同位素温差电池、5G基站散热设备等。

热电材料分为发电材料和制冷材料两大类。新型氧化物热电材料BiCuSeO具有特殊的天然超晶格结构和低弹性模量[7]，表现出固有的高Seebeck系数和低热导率。但其本征载流子浓度和迁移率相对较低(分别约为1018/cm3和20 cm2/(V·s))，导致电导率和无量纲热电优值(thermoelectric figure of merit，ZT)较低。掺杂是提高热电材料电性能的有效途径之一。根据缺陷化学原理，采用正价态低价元素掺杂引入空穴，或采用正价态高价元素掺杂引入电子，或根据能带理论掺杂等价元素调整能带结构，均可提高载流子浓度和迁移率[8−9]，进而提高材料的热电优值。……