论文摘要
热电材料以及热电能源转化技术由于可以实现在热能和电能之间的之间转换,该技术不需要任何的传动装置,并且是一种环境友好的能源技术,近几十年来吸引了研究者的广泛关注。p型Cu2Se化合物具有较好的电性能和复杂的晶体结构,是一种具有潜在电子晶体-声子玻璃特征的热电材料。由于Cu2Se化合物晶体结构的复杂性,近年来对其晶体结构的研究是主要热点之一,但是对热电性能的研究却很少。本文主要是系统研究Cu2Se基化合物在300-800 K温度范围内的相转变与热电传输性能,为Cu2Se基化合物作为热电材料的应用奠定基础。本文采用熔融淬火法结合放电等离子烧结技术合成了一系列不同Cu含量的Cu2Se基化合物。研究了名义组成上Cu缺失Cu2-xSe（0≤x≤0,25）与Cu过量Cu2+xSe（0≤X≤0.04）的化合物,探讨了Cu2Se基化合物随着Cu含量的变化与温度的变化的相转变规律,同时系统研究了化合物中Cu含量以及温度的变化对Cu2Se基化合物热电性能的影响规律。在以未掺杂的Cu2Se基化合物的研究基础上,得到了热电性能最好的Cu2.04Se化合物,选择了S元素对该化合物中的Se元素替换,形成了Cu2.04Se1-δSδ（δ=0,0.01,0.03,0.05）固溶体,热电性能得到了大幅度的提高,且对热电性能最好的化合物进行了退火工艺处理,研究了热电性能的稳定性。主要研究内容与研究结果如下。Cu2Se基化合物的相组成和相转变研究结果表明：在Cu缺失的化学组成Cu2-xSe（0≤x≤0.25）中,在室温条件下,当0≤x≤0.15时样品为α-Cu2-xSe（单斜）与p-Cu2-xSe（立方）的混合相；当0.15≤x≤0.25时,样品为β-Cu2-xSe单相结构。在Cu2xSe（0≤x≤0.15）化合物中,由于有α相与p相存在,α-β相变温度随着Cu含量的增多而升高,x=0时化合物的相变温度为373 K左右,当低温的α相完全转变成p相后,得到单相化合物。在名义组成Cu过量的化合物Cu2+xSe（0≤x≤0.04）中,在实验配料过程中Cu过量应控制在4%以内。Cu过量的样品在室温下物相均为αc-Ci2Se,α-β相转变温度在406 K左右,在完成相转变后,高温阶段均为p单相物质。且α-β相转变为第一级相变,随着温度的变化相变可逆,掺杂元素对化合物的相结构与相变没有影响。热电性能测试结果表明,电传输性能与热传输性能伴随α-β相转变的发生也表现出异常的峰值变化。相变完成之后,所有样品的热电性能都随温度的升高表现出规律的变化,随着化合物中Cu含量的增加与温度升高,电导率下降,Seebeck系数提高,热导率下降,样品Cu2.04Se在765 K时的Seebeck系数为180μV/K,热导率为1.09 Wm-1K-1,由于具有相对较高的功率因子和相对最低的热导率,获得最大ZT约为0.77,相比于名义组成为Cu2Se的样品ZT值提高了100%。对Cu2.04Se化合物进行S元素取代,随着S元素掺量的增多,电导率进一步下降,Seebeck系数大幅度的提高,热导率下降显著,最终得到Cu2.04Se0.97S0.03具有最高的ZT值,在761 K时约为1.1,相比于未掺杂的Cu2.04Se样品提高了43%。退火工艺处理之后,尽管有少量氧化铜第二相产生,但是热电性能比较稳定。