PbTe基化合物中深浅能级杂质调控与热电性能开题报告

全文总字数：5512字

1. 研究目的与意义（文献综述）

近20年，由于环境污染和能源短缺等问题的日益严峻，人们逐渐将研究的重点放在了开发新型能源转换技术上，如研究光电材料实现对太阳能的高效利用，或者是利用热电材料将余热、废热转换为电能^[1]。众所周知，在包括钢铁工业、航天等领域，对余热以及废热资源的使用仍然处于较为初步的水平。以钢铁工业为例，据中国钢铁工业协会统计^[2]，2012年国内大中型钢铁企业烧结矿产量为8.1亿吨，尚有8.0亿ＧＪ的烧结余热资源没有得到回收利用，而低温余热回收率甚至还不足1%，造成余热资源大量浪费。钢铁企业余热利用方式有很多，其中最具价值的当属余热发电，所以探索热电材料不仅是余热回收和利用技术的创新前沿，也是目前节能减排的迫切需求^[3]。

热电材料是一种利用材料的seebeck 效应和peltier 效应实现热能与电能之间相互转换的新型功能材料，可广泛用于废热回收发电和热电制冷等领域，由热电材料制作的器件具有无污染、无噪音、体积小、响应快、可靠性高、无可动部件等诸多优点，因此近年来受到国内外研究人员的广泛关注^[4]。但是，相较于传统热机将近40%的转化效率，目前热电材料的转化效率还较低，约为3~4%，低转化效率是限制热电材料大规模应用的最主要因素。而转换效率又取决于热电材料的无量纲热电优值zt，它可表示如下：

zt=a²st /(k_c k_l)

2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

材料制备：用熔融、淬火、退火结合sps烧结的方法制备不同掺杂元素以及掺杂量的pbte基热电材料；

材料表征：相组成以及微结构表征，试样的相组成通过粉末x射线衍射法（xrd，panalytical: empyrean, cu k）确定；烧结后块体的微观结构通过场发射扫描电镜（fesem，hitachi su-8020）和高分辨透射电镜（hrtem，jem-2100f）观测。热电性能表征，电导率（σ）和seebeck系数（α）是在zem-3型热电性能测试仪上测量得到；热导率（κ）通过热扩散系数（l）、热容（c_p）和密度（d）使用公式k=lc_pd得到，其中l采用激光热导仪（netzsch lfa 457）测得，c_p使用差式扫描量热仪（ta instruments q20）测得，测试的温度范围为300-923 k，密度d利用archimedes原理采用排水法测得；低温（10 k~300 k）霍尔系数（r_h）用综合物理性能测试仪ppms测量得到，高温（300 k~923 k）霍尔系数（r_h）用高温霍尔测试仪测量得到，对应样品的载流子浓度（n）和载流子迁移率（μ_h）可通过以下公式计算得到：n=1/|er_h|和μ_h=σ/en。缺陷表征，通过dlts法（dlts with boonton 7200）确定深能级杂质的能级深度、俘获截面以及激发速率等相关参数。

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案，并完成开题报告。

第4－5周：按照设计方案，探索和优化制备pbte基热电材料的工艺过程，得到合适的合成工艺条件。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 左磊, 付高升, 于良耀. 用于车辆尾气热能回收的热电材料和热喷涂工艺[j]. 汽车安全与节能学报, 7(2): 135-150(2016).

[2] boor,j., stiewe, c., ziolkowski, p., dasgupta, t., karpinski, g., lenz, e., etal. high-temperature measurement of seebeck coefficient and electricalconductivity[j]. journal of electronic materials, 42(7), 1711-1718(2012).

[3] 董辉, 王爱华, 冯军胜, 等. 烧结过程余热资源回收利用技术进步与展望[j]. 钢铁(2014).