背景介紹

隨著現(xiàn)代社會(huì)對(duì)可持續(xù)能源的需求日益增長(zhǎng)，熱電材料的研究和開(kāi)發(fā)變得越來(lái)越重要。熱電材料是一種能將熱能和電能相互轉(zhuǎn)換的功能材料，其具有可靠、輕便、堅(jiān)固和環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，可以直接將廢熱轉(zhuǎn)化為有用的電能。熱電器件的效率由材料的熱電優(yōu)值ZT=(S²σ/κ)T來(lái)進(jìn)行表征,其中S為塞貝克系數(shù)，σ為電導(dǎo)率，κ為熱導(dǎo)率，因此，理想的熱電材料應(yīng)具有高載流子遷移率和低熱導(dǎo)率。硒化鉍基合金是一種傳統(tǒng)的熱電材料，具有約0.3eV的窄帶隙，廣泛應(yīng)用于近室溫?zé)犭娭吕淦骱蜔犭姲l(fā)電機(jī)的研制。Bi₂Se₃結(jié)晶為具有空間對(duì)稱群(R-3m)的斜方六面體結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)由沿c軸排列的五個(gè)原子層組成，稱為五元層。Bi和Se原子層通過(guò)較強(qiáng)的共價(jià)鍵/離子鍵進(jìn)行連接，而相鄰的Se層則通過(guò)較弱的范德華力連接在一起。

熱導(dǎo)率是決定熱電材料ZT值的關(guān)鍵參數(shù)之一，在過(guò)去的十年中，熱電材料的熱電性能取得了重大進(jìn)展，在保持其功率因數(shù)值的同時(shí)，通過(guò)采用各種策略，如無(wú)序晶格、局域聲子的共振散射、界面散射等來(lái)調(diào)整熱電材料的熱導(dǎo)率。自過(guò)去十年以來(lái)，通過(guò)使用各種摻雜劑來(lái)調(diào)整Bi₂Se₃系的熱電性能已得到顯著的發(fā)展。有報(bào)道稱Sr摻雜Bi₂Se₃是一種超導(dǎo)拓?fù)浣^緣體，但該材料在室溫以上的熱輸運(yùn)行為尚未見(jiàn)報(bào)道。在本研究工作中，我們?cè)?00-550 K的溫度范圍內(nèi)對(duì)Sr_xBi_2-xSe₃ (x=0, 0.05, 0.2)的熱輸運(yùn)性質(zhì)進(jìn)行了表征分析。

實(shí)驗(yàn)部分

采用真空熔煉法、研磨以及真空熱壓法制備Sr_xBi_2-xSe₃ (x=0, 0.05, 0.2)樣品。根據(jù)元素質(zhì)量比將相應(yīng)的Sr(99.99%)、Bi(99.99%)和Se(99.99%)在2x10^-5 mbar的真空條件下密封于石英管中。然后將真空密封的石英管置于搖爐中，升溫速率為50℃/hr，將搖爐升溫至1073K，并恒溫4小時(shí)，使樣品充分混合均勻。最后以10℃/min的降溫速率緩慢冷卻至室溫。將所得到的有光澤的鑄塊磨成細(xì)粉，然后在873K的燒結(jié)溫度下，施加2.5 Kg的載荷將其燒結(jié)60min致密化。為了測(cè)量熱輸運(yùn)性能，對(duì)直徑約為10mm的圓盤狀試樣進(jìn)行熱壓和拋光處理，在300-550K的溫度范圍內(nèi)，使用Linseis激光導(dǎo)熱儀(LFA-1000)測(cè)量其熱輸運(yùn)特性。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

如下圖a,b,c分別為Sr_xBi_2-xSe₃ (x=0, 0.05, 0.2)試樣的比熱容、熱擴(kuò)散系數(shù)和熱導(dǎo)率的測(cè)試結(jié)果。以石墨作為參比物質(zhì)，采用比較法測(cè)量試樣的比熱容，測(cè)量結(jié)果顯示，試樣的比熱容隨著Sr含量的增加而系統(tǒng)地增大。試樣的熱擴(kuò)散系數(shù)則隨著Sr含量的增加而減小，且隨著溫度的升高，熱擴(kuò)散系數(shù)基本保持不變。試樣的熱導(dǎo)率同樣隨著Sr含量的增加而降低。試樣熱導(dǎo)率的降低可以從大量晶界、缺陷和微米尺度界面增強(qiáng)聲子散射的角度來(lái)理解。系統(tǒng)中不同長(zhǎng)度尺度散射中心的存在降低了聲子的平均自由程，從而抑制了試樣的熱導(dǎo)率。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論

通過(guò)對(duì)Sr_xBi_2-xSe₃ (x=0, 0.05, 0.2)的熱輸運(yùn)性質(zhì)進(jìn)行研究分析，可以看到，隨著Bi₂Se₃中Sr含量的增加，其導(dǎo)熱系數(shù)降低，而隨著溫度的升高，導(dǎo)熱系數(shù)保持穩(wěn)定。熱導(dǎo)率的降低歸因于Bi₂Se₃結(jié)構(gòu)中的鍶嵌入導(dǎo)致的層狀結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)和缺陷。熱導(dǎo)率的降低為進(jìn)一步探索該體系的其他熱電參數(shù)提供了空間，從而得出該體系的熱電性能。