【摘 要】
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热电材料能够在全固态下实现热能和电能两种能源形式相互转化,在废热回收、特定环境能源供给、固态制冷的诸多领域具有应用前景。热电器件的基本单元是由p型和n型两种半导体材料构成的两支串联的单偶对。高效率的热电转化器件不仅需要材料具有高的无量纲热电优值,还需要组成器件的两种材料具有相同的热膨胀系数和机械强度。大多数热电材料在p/n型配对时存在较大的组分差异,或者高性能仅存在于其中一种类型,这样即使在n型和
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热电材料能够在全固态下实现热能和电能两种能源形式相互转化,在废热回收、特定环境能源供给、固态制冷的诸多领域具有应用前景。热电器件的基本单元是由p型和n型两种半导体材料构成的两支串联的单偶对。高效率的热电转化器件不仅需要材料具有高的无量纲热电优值,还需要组成器件的两种材料具有相同的热膨胀系数和机械强度。大多数热电材料在p/n型配对时存在较大的组分差异,或者高性能仅存在于其中一种类型,这样即使在n型和p型材料中实现了较高的,但由于热膨胀系数和机械性能的差异,使热电器件热循环过程中容易发生断裂失效。半休氏勒合金（Half-Heusler）化合物由于热稳定性好、机械强度高等特性,现已成为中高温废热回收领域极具研究价值的热电材料。然而作为热电材料,其不足之处在于许多Half-Heusler材料的晶格热导率明显高于其它经典热电材料体系。目前距离Half-Heusler材料的理论最低热导率尚有较大差距。另外,由于Half-Heusler合金元素均为贵重金属,使其制备成本仍然较高。因此,本文以Half-Heusler材料Co Ti Sb为研究对象,利用电弧熔炼制备新型Half-Heusler材料Fe1-xNixTi Sb,通过Fe原子和Ni原子替换其中昂贵的Co原子,并仅变化Fe和Ni的比例,无须掺杂其他元素在同一材料体系中实现具有相近的热膨胀系数和机械强度的n型和p型;通过载流子浓度优化和高能球磨降低晶格热导率,实现该体系n型和p型热电性能同时提升。本文的主要研究成果如下:1.通过电弧熔融成功制备新型Half-Heusler材料Fe0.5Ni0.5Ti Sb,通过X射线衍射和透射电镜测试分析,证实Fe0.5Ni0.5Ti Sb具有与Co Ti Sb相同的非中心对称的立方结构（空间群编号216,F4%3m,C1b）,并且Fe原子和Ni原子在随机分布占据着Co Ti Sb晶格中Co原子的位点。通过电热性能测试,发现Fe0.5Ni0.5Ti Sb与Co Ti Sb电学性能相近,而前者总热导率则有大幅度的下降。另外,只需调控Fe和Ni在化学式Fe1-xNixTi Sb中的比例不仅可以优化载流子浓度,提升功率因子,还可以同时获得材料的n型和p型,这对于制备热电器件具有重要的研究意义和潜在的应用价值。2.为了进一步优化新型Half-Heusler材料Fe1-xNixTi Sb的热电性能。通过机械球磨降低材料的晶格热导率,使用输运系数评估球磨时间长短对不同组分Fe1-xNixTi Sb电输运的影响。最后通过SEM图像观察最佳球磨时间下不同组分的晶粒尺寸大小。确定Fe1-xNixTi Sb不同组分的最佳球磨时间,测试所有样品的电学性能和热学性能,p型半导体Fe0.65Ni0.35Ti Sb和n型半导体Fe0.3Ni0.7Ti Sb都分别展示了最高的值,在923 K分别为0.48和0.40,相比于未球磨的p型半导体和n型半导体样品提升了40%和50%左右。运用单带抛物线（SPB）模型分析所有样品的载流子浓度与赛贝克系数之间的电学输运关系;估算品质因子B评估Fe1-xNixTi Sb不同组分的热电潜能;最后得到结论新型Half-Heusler合金化合物Fe1-xNixTi Sb与Co Ti Sb相比,在热电性能和生态友好性都有明显的优势。3.Fe和Ni虽然能够替换Co Ti Sb中的Co原子并在晶格中的钴位点上随机分布,有效的降低晶格热导率,但是相比于其他热电材料其总热导率还是很高。为了提升该材料体系的热电优值,在高能球磨降低晶格热导率的基础上,采用在组分n型半导体Fe0.6Ni0.4Ti Sb和p型半导体Fe0.4Ni0.6Ti Sb固溶同族元素Hf降低材料的晶格热导率,进一步提高材料的热电性能。
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