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有效利用能源和保持清洁环境是世界范围内的两大重要议题,世界各国科技工作者均致力于探索更多的、新型的高效能源,来推动清洁能源技术的发展。作为一种有效的能源转化手段,热电技术能够完成热与电之间的相互转化,同时无噪音,并且免维护,因此具有非常大的吸引力。对于在500-800 K温度范围进行温差发电应用来看,Mg2Si1-xSnx固溶体,具有原料丰富、无毒无污染等特点,是极具发展前景的热电材料。目前,这类固溶体的n型材料已经获得了非常优异的热电优值ZT~1.2-1.3。然而,该体系仍然面临着一些问题和挑战:Mg元素具有大的饱和蒸汽压和反应活性,造成材料在制备(尤其是规模化制备)上的困难;Mg2Si1-x Snx本征存在的非连续固溶区,使得制备的样品为多相结构,这种不均匀的微观结构不利于迁移率、功率因子以及热电性能的优化;该体系p型材料并未得到与n型材料相匹配的高热电性能,成为将来热电器件双偶(该体系的n、p型单偶)进行配对使用的一大障碍。鉴于上述提出的问题,本论文的主要研究内容和所得结果如下:采用燃烧合成(自蔓延高温合成和热爆合成)结合等离子体活化烧结(PAS),成功制备了Mg2Si1-xSnx(x=0、0.5和0.7)基材料。结合DSC和淬灭实验,分析了Mg2Si1-xSnx(x=0、0.5、0.7和1)在自蔓延高温合成(SHS)过程中的相转变机理,表明:Mg粉和Si粉,在800-850 K(依升温速率而定)可以直接反应得到Mg2Si;Mg粉和Sn粉,在Sn的熔点500 K处熔化,并伴随有少量Mg2Sn的合成,继续升温至700 K附近,原料完全反应生成Mg2Sn;Mg2Si1-xSnx(x=0.5和0.7)固溶体的合成前期与Mg2Sn类似,后期随温度升高,会发生Mg2Si的合成以及Mg2Si和Mg2Sn的固溶。采用SHS结合PAS,制备了Sb掺杂的Mg2Si1-ySby(0≤y≤0.025)化合物,EPMA和HRTEM分析表明,Sb掺杂的样品表现出明显的不同Sb含量区域,并且伴有析出的富Sb纳米相。随着Sb含量的增加,载流子浓度、电导率和功率因子得到显著的优化,虽然载流子热导率增加,但是Sb的引入导致了增强的点缺陷声子散射,结合可能的晶界散射,造成降低的晶格热导率和总热导率。最终,样品y=0.02在873 K获得了最大优值ZT~0.65,与目前报道的Sb掺杂的Mg2Si最高热电优值相当。后续样品y=0.02样品在773 K退火7 d的热处理结果表明,微结构和热电传输参数并未发生明显的改变,可知,SHS结合PAS制备的Mg2Si1-ySby有着良好的热稳定性。同样采用shs结合pas,制备了mg2(si0.3sn0.7)1-ysby(0≤y≤0.025)固溶体,xrd图表明所得样品均为单相,抛光面bei及wds元素面分布显示,样品内部存在着富si和富sn相,热电性能测试结果表明,sb能够优化载流子浓度和热电优值,在样品y=0.025,在800k处获得了最高热电优值zt~1.15,较同组成的固相反应样品低10%。采用热爆合成(te)结合pas制备了sb掺杂的mg2(si1-xsnx)1-ysby(x=0.5和0.7,0≤y≤0.025)基固溶体,xrd分析表明,所有样品均显示为面心立方的单相。然而,通过epma的bei和样品组成元素的面分布图,可知,所有样品均为多相结构,尤其是x=0.5的样品,富si和富sn区域更加明显。sb的掺入,优化了载流子浓度和功率因子,同时,有效抑制了本征激发,使得x=0.7、y=0.02和x=0.5、y=0.025样品,在800k处,分别获得了最高热电优值zt~1.1和1.0。与固相反应所得样品相比,超快速方法(shs和te)制备的样品是明显的多相结构,这种微观结构导致了迁移率的减小和晶格热导率的增大,最终,热电优值zt要低于固相反应(ssr)制备的同组成的样品热电优值的10%,但是,超快速合成方法具备的节能、省时和对设备要求低的特点,对今后的规模化制备有着重大的意义。mg2si1-xsnx材料均匀的微观结构有利于热电性能的提高。因此,本研究采用熔体旋甩(ms)方法制备了sb掺杂的mg2si0.3sn0.7固溶体。与ssr方法不同,非平衡熔体旋甩技术ms具有超快速固化的能力,能够将均匀的熔体结构保留到室温凝固态中,从而显著改善了材料微观结构的均匀性。这种结构均匀化的作用,显著提高了载流子迁移率和电导率,在600k,取得了该体系迄今为止该体系最高的功率因子pf~5.18×10-3wm-1k-2,相比于固相反应的样品,提高了15%。最终,无量纲热电优值zt在750k可达1.30。因此,改善材料的均匀度可以作为一种提高迁移率、pf和zt值的有效手段。为了优化p型mg2si0.3sn0.7材料的热电性能,采用碱金属li掺杂mg位,来提高和优化mg2si0.3sn0.7的空穴浓度。研究发现,同na和k相比,对于mg2si0.3sn0.7材料来说,li和ga是更加有效的p型掺杂元素。随着li含量的增加,载流子浓度增加,电导率也随之增大。同时,seebeck系数减小,但是,由于空穴具有高的迁移率,所以材料仍然取得了高的功率因子pf。理论计算表明,mg2si0.3sn0.7本征具有基本简并的双价带结构(轻带和重带),同时,li掺杂能够保持价带顶低的态密度(dos),这与ga掺si/sn位的效应刚好是相反的。低温比热容的测试证实,li掺杂的样品的确有着低的载流子有效质量,从而导致高的迁移率。随着li含量的增加,虽然热导率有增大趋势,但是增强的载流子浓度有效地将本征激发(双极热导)推向高温,因而,作为限制晶格热导率的主要角色——声子u过程散射作用,得到了更大程度的发挥。最终,在750 K,x=0.07的样品热电优值ZT达到0.5,相比文献报道的p型Mg2Si1-x Snx的ZT值,提高了30%。因此,对于给定数目的载流子能谷的热电半导体而言,设计费米能级附近低的态密度,可以作为一种有效策略来优化PF和ZT值。