碲化铋薄膜载能粒子相互作用的超快研究

碲化铋禁带宽度非常窄而具有高电导率和塞贝克系数,同时具有低热导率,成为已知室温下优值系数最高的热电材料。已有研究表明,纳米薄膜和超晶格是进一步提高材料热电性能的可行途径。因此超快研究碲化铋纳米薄膜中载能子间的相互作用过程对开发高性能热电材料有重要意义。本文采用飞秒激光泵浦-探测技术,实验研究了沉积在硅基底上厚度为100 nm碲化铋薄膜中各载能粒子的相互作用过程。通过改变延迟时间步长,分别观察到价带电子被光子激发跃迁至导带,激发电子在导带内与声子的能量弛豫及导带电子与空穴复合跃迁至价带,并将能量传递给声子导致声子温度升高的过程。此外,还观察到热应力产生的声波,并据此得到了碲化铋薄膜中纵波声速为2649 m s^-1。     

不同周期结构硅锗超晶格导热性能研究

构造了均匀、梯度、随机3种不同周期分布的硅/锗(Si/Ge)超晶格结构.采用非平衡分子动力学(NEMD)方法模拟了硅/锗超晶格在3种不同周期分布下的热导率,并研究了样本总长度和温度对热导率的影响.模拟结果表明:梯度和随机周期Si/Ge超晶格的热导率明显低于均匀周期结构超晶格;在不同的周期结构下,声子分别以波动和粒子性质输运为主;均匀周期超晶格热导率具有显著的尺寸效应和温度效应,而梯度、随机周期Si/Ge超晶格的热导率对样本总长度和温度的依赖性较小.     

非晶硅锗电池性能的调控研究

采用射频等离子体增强化学气相沉积技术, 研究了非晶硅锗薄膜太阳电池. 针对非晶硅锗薄膜材料的本身特性, 通过调控硅锗合金中硅锗的比例, 实现了对硅锗薄膜太阳电池中开路电压和短路电流密度的分别控制. 借助于本征层硅锗材料帯隙梯度的设计, 获得了可有效用于多结叠层电池中的非晶硅锗电池. 关键词： 非晶硅锗薄膜太阳电池 短路电流密度 开路电压 带隙梯度     

超晶格和层状结构传热特性的连续模型及其在能源材料设计中的应用

层状材料和超晶格结构为提高热电材料和隔热涂层提供了新的设计思路, 并成为最近的研究热点. 应用连续波动方程和线性阻尼理论, 本文研究了此类材料中的声子输运特性. 给出了在整个相空间里的界面调制和声子局域化效应, 得出了超晶格材料热导率的上极限和下极限; 同时, 分析表明界面锐化加强了声子带隙, 使得部分模态的声子局域化加强. 最后, 通过对石墨烯/氮化硼超晶格(G/hBN)和硅/锗超晶格的分子模拟(Si/Ge), 验证了该理论模型. 该方法适用于所有的层状材料和超晶格结构, 对此类新能源材料的设计提供了普适的设计思路.     

Ga填充n型方钴矿化合物的结构及热电性能

用熔融退火结合放电等离子烧结(SPS)技术制备了具有不同Ga填充含量的Ga_xCo₄Sb₁₂方钴矿化合物,研究了不同Ga含量对其热电传输特性的影响规律. Rietveld结构解析表明,Ga占据晶体学2a空洞位置,Ga填充上限约为0.22,当Ga的名义组成x≤0.25时,样品的电导率、室温载流子浓度N_p随Ga含量的增加而增加,Seebeck系数随Ga含量的增加而减小. 室温下霍尔测试表明,每一个Ga授予框架0.9个电子,比Ga的氧化价态Ga³⁺小得多. 由于Ga离子半径相对较小,致使Ga填充方钴矿化合物的热导率κ及晶格热导率κ_L较其他元素填充的方钴矿化合物低. 当x＝0.22时对应的样品在300K时的热导率和晶格热导率分别为3.05Wm^-1·K^-1和 2.86Wm^-1·K^-1.在600K下Ga_0.22Co_4.0Sb_12.0样品晶格热导率达到最小,为1.83Wm^-1·K^-1,最大热电优值Z,在560K处达1.31×10^-3K^-1. 关键词： skutterudite化合物 Ga原子填充 结构 热电性能     

粗糙界面对Bi2Te3/PbTe超晶格热电优值影响的理论分析

以Bi₂Te₃/PbTe超晶格薄膜为例,分析电子在Bi₂Te₃量子阱中的输运过程,综合了薄膜的经典散射效应和理想量子效应,并以此混合效应为基础,在PbTe障碍层厚度一定时,模拟计算了两种混合效应中量子效应占不同比例时,Bi₂Te₃/PbTe超晶格热电优值的变化.在镜面反射占混合效应的0.3时,得到的热电优值与当前报道的量子阱超晶格的实验值接近. 关键词： 超晶格 粗糙界面 热电优值     

第一性原理研究单层Ge2X4S2(X=P,As)的热电性能

单层Ge₂X₄S₂(X=P, As)是最近预测的一种二维层状材料,它们不仅拥有高的光吸收系数,同时还有较高的载流子迁移率,这意味着它们在光电和热电领域可能有较好的应用前景.本文通过第一性原理和玻尔兹曼输运理论系统地研究了这两种材料的热电性质.结果表明,单层Ge₂P₄S₂和Ge₂As₄S₂在室温下展现较低的晶格热导率,沿armchair方向分别为3.93 W·m^-1·K^-1和3.19 W·m^-1·K^-1, zigzag方向分别为4.38 W·m^-1·K^-1和3.79 W·m^-1·K^-1,这主要是由低的声子群速度、大的格林艾森参数以及小的声子弛豫时间造成的.基于HSE06泛函计算出的能带结构表明单层Ge₂     

Co1-xNixSb3-ySey热电输运中晶界和点缺陷的耦合散射效应

结合机械合金化与放电等离子烧结工艺制备了Ni和Se共掺的细晶方钴矿化合物Co_1-xNi_xSb_3-ySe_y,研究了晶界和点缺陷的耦合散射效应对CoSb₃热电输运特性的影响.通过Ni掺杂优化载流子浓度提高功率因子.在x=0.1时,功率因子达到最大值1750μWm^-1K^-2(450℃),是没有掺Ni试样的两倍.晶界和点缺陷的耦合散射机理使晶格热导率急剧下降,其中Co_0.9Ni_0.1Sb_2.85Se_0.15的室温晶格热导率降低至1.67Wm^-1K^-1,接近目前单填充效应所能达到的最低值1.6Wm^-1K^-1,其热电优值ZT在450℃时达到最大值0.53.将Callaway-Von Baeyer点缺陷散射模型嵌入到Nan-Birringer有效介质理论模型,对晶界散射和点缺陷散射的耦合效应对热导率的影响进行了定量分析,模型计算与实验结果符合.理论模型计算表明,当晶粒尺寸下降到50nm同时掺杂引入点缺陷散射后,Co_0.9Ni_0.1Sb_2.85Se_0.15的晶格热导率下降到0.8Wm^-1K^-1. 关键词： 3')" href="#">CoSb₃ Ni和Se掺杂 热电性能 耦合散射效应     

导热高分子聚合物研究进展

传统高分子聚合物是良好的电绝缘体和热绝缘体.高分子聚合物具备质量轻、耐腐蚀、可加工、可穿戴、电绝缘、低成本等优异特性.高分子聚合物被广泛应用于各种器件.由于高分子材料的热导率比较低(0.1—0.5 W·m^-1·K^-1),热管理(散热)面临严峻的挑战.理论及实验工作表明,先进高分子材料可以具有比传统传热材料(金属和陶瓷)更高热导率. Fermi-Pasta-Ulam (FPU)理论结果发现低维度原子链具有非常高的热导率.广泛使用的聚乙烯热绝缘体可以被转变为热导体:拉伸聚乙烯纳米纤维的热导率大约为104 W·m^-1·K^-1,拉伸的聚乙烯薄膜热导率大约为62 W·m^-1·K^-1.首先,本文通过理论和实验结果总结导热高分子材料的传热机理研究进展,并讨论了导热高分子聚合物的制备策略;然后,讨论了在传热机制及宏量制备方面,高分子聚合物研究领域所面临的新挑战;最后,对导热高分子的热管理应用前景进行了展望.例如,导热高分子聚合物在耐腐蚀散热片、低成本太阳能热水收集器、可穿...     

硅、锗中氧的低温红外吸收

在6—300K下,利用红外傅里叶光谱仪研究了400—4000cm^-1间的硅、锗中氧的红外吸收。采用高分辨条件时,分辨率可达0.5cm^-1。研究了在低温下利用硅的1106cm^-1吸收峰和锗的855cm^-1吸收峰探测硅和锗氧含量的探测限和误差。若样品厚度为2cm,估计在20K下,硅中氧含量探测限～9.6×10¹⁴氧原子·cm^-3,锗中氧含量探测限～3.0×10¹⁴氧原子·cm^-3。同时,对不同生长条件下直拉锗单晶的氧含量进行了研究,并与用锂沉淀法所求得的锗中氧含量加以比较。对不同氧含量的硅样品的1106cm^-1吸收峰在6—300K的变化进行了观察和讨论。 关键词：     

基于界面原子混合的材料导热性能

构造了界面具有原子混合的硅锗(Si/Ge)单界面和超晶格结构.采用非平衡分子动力学模拟研究了界面原子混合对于单界面和超晶格结构热导率的影响,重点研究了界面原子混合层数、环境温度、体系总长以及周期长度对不同晶格结构热导率的影响.结果表明:由于声子的“桥接”机制,2层和4层界面原子混合能提高单一界面和少周期数的超晶格的热导率,但是在多周期体系中,具有原子混合时的热导率要低于完美界面时的热导率;界面原子混合会破坏超晶格中声子的相干性输运,一定程度引起热导率降低;完美界面超晶格具有明显的温度效应,而具有原子混合的超晶格热导率对温度的敏感性较低.     

基于微结构参数建模的多孔硅绝热层热导率研究

多孔硅由于具有较低的热导率,因而可以将其作为半导体器件中的绝热层.与其他从边界散射等复杂微观热传导机制出发建模研究多孔硅的热导率不同,将多孔硅热导率影响机制更表观地归结到孔洞的存在和分布等结构因素上,把整个多孔硅视为由硅连续材料介质和孔洞连续介质通过串联和并联组合成的复合微结构,给予其低热导率一个更为易于理解和简化的解释.进一步把孔隙率对等效热导率的影响分解为两个不同的部分,即纵向部分和横向部分,半定量地给出不同的孔洞结构和分布下孔隙率与等效热导率的关系.与实验数据进行对比后验证了模型的有效性.继而从结构的角度说明了多孔硅热导率较低的原因.     

MnTe单晶薄膜的外延制备、本征点缺陷结构及电输运优化

砷化镍型MnTe化合物是一类重要的环境友好p型中温热电材料.低空穴浓度是制约MnTe热电材料性能优化的关键因素,目前对于MnTe热电材料的性能优化缺乏系统的实验研究.本文采用分子束外延技术制备MnTe薄膜,并用扫描隧道显微镜表征其本征点缺陷,最终通过本征点缺陷的调控实现了MnTe的电输运性能大幅优化.结果表明, Mn空位(V_Mn)和Te空位(V_Te)是MnTe薄膜的主要本征点缺陷结构.随着薄膜生长温度(T_sub)的提高或Mn∶Te束流比的降低, MnTe薄膜的空穴浓度得到了大幅提升,最高空穴浓度可达21.5×1019 cm–3,比本征MnTe块体获得的数值高一个数量级.这归因于MnTe薄膜中p型V_Mn浓度的显著增加,并引起电导率和功率因子的显著提升.最后,在T_sub=280℃以及Mn∶Te=1∶12条件下生长的MnTe薄膜获得了所有样品中最高的热电功率因子,在483 K达到1.3μW·cm^–1·K^–2.本研究阐明了MnTe中存在的本征...     

碲化铋取向纳米柱状薄膜热导率测量

将热电材料制作成纳米柱状薄膜结构是一种理论上能有效降低热导率、从而大幅提升热电优值的操控手段。但是随之而来的问题是纳米柱状薄膜热导率的精确获取困难,因为常规的热物性测试手段已无法适用于该类表面多孔、厚度为微米量级结构热输运特性的表征。本文提出利用3ω方法可实现Bi_2Te_3取向纳米柱状薄膜热导率实验表征的测量结构,并且获得了纳米柱状薄膜的热导率和热扩散率值。该方法有望用于微米厚纳米柱状薄膜结构热输运性能的实验评价。     

单层Cu2X的热电性质

具有低晶格热导率和高热电优值的二维(2D)材料可用于热电器件的制备.本文通过第一性原理和玻尔兹曼输运理论,系统地预测了单层Cu₂X (X=S, Se)的热电性质.研究发现单层Cu₂Se较Cu₂S在室温下具有更低的晶格热导率(1.93 W/(m·K)和3.25 W/(m·K)),这源于其更低的德拜温度和更强的非谐性.单层Cu₂X(X=S, Se)价带顶处的能带简并效应显著增大了其载流子有效质量,导致p型掺杂下具有高的塞贝克系数和低的电导率.在最优掺杂浓度下,单层Cu₂S (Cu₂Se) n型的功率因数16.5 mW/(m·K²)(25.9 mW/(m·K²))远高于其p型的功率因数1.1 mW/(m·K²)(6.6 mW/(m·K²)),且随着温度的提升这一优势将更加明显.温度为700 K时,单层Cu₂S和Cu₂Se在n型最优掺...     

薄膜面内微结构对热物性的调控研究

提出了一种通过制作面内微结构实现聚酰亚胺薄膜面内热导率及表面红外发射率调控的方法。通过建立简化的二维热传导模型,实现了对具有周期性微结构薄膜面内等效热导率的计算。以此为基础,研究了微结构接触面积比及填充因子对等效热导率及等效红外发射率的影响。理论计算表明,当微结构的接触面积比为0.18、填充因子为0.28时,薄膜面内等效热导率仅为材料本身热导率的18.8%。实验制备了两种具有不同接触面积比和填充因子的聚酰亚胺薄膜。薄膜直径65mm,厚度约为500nm。采用非接触式面内热导率测量法测得无微结构薄膜的面内热导率为0.164W/mK,接触面积比为0.20及0.46的微结构薄膜的面内热导率分别为0.041W/mK和0.091W/mK,而发射率分别为0.161和0.175。     

硒化亚铜薄膜热电性能研究进展

热电材料可以实现热能和电能的相互转换,它是一种环境友好的功能性材料.当前,热电材料的热电转换效率低,这严重制约了热电器件的大规模应用,因此寻找更加优异热电性能的新材料或提高传统热电材料的热电性能成为热电研究的主题.与块状材料相比,薄膜具有二维的宏观性质和一维的纳米结构特性,方便研究材料的物理机制与性能的关系,还适用于制备可穿戴电子设备.本文总结了Cu₂Se薄膜5种不同的制备方法,包括电化学沉积、热蒸发、旋涂、溅射以及脉冲激光沉积.另外,结合典型事例,总结了薄膜的表征手段,并从Cu₂Se的电导率、塞贝克系数和热导率等参数出发,讨论了各个参数对热电性能的影响机制.最后介绍了Cu₂Se薄膜热电的热门应用方向.     

具有本征低晶格热导率的硫化银快离子导体的热电性能

硫化银(Ag_2S)是一种典型的快离子导体材料,前期关于Ag_2S的研究主要集中在光电和生物等领域.最近的研究表明, a-Ag_2S具有和金属一样的良好延展性和变形能力.但是, Ag_2S的热电性能尚无公开报道.本工作合成了单相Ag_2S化合物,系统研究了其在300—600 K范围的物相变化、离子迁移特性和电热输运性质.研究发现, Ag_2S在300—600 K温度区间表现出半导体的电输运性质.由于单斜-体心立方相晶体结构转变, Ag_2S的离子电导率、载流子浓度、迁移率、电导率、泽贝克系数等性质在455 K前后出现急剧变化.在550 K, Ag_2S的功率因子最高可达5μW·cm~(–1)·K~(–2). Ag_2S在300—600 K温度区间均表现出本征的低晶格热导率(低于0.6 W·m~(–1)·K~(–1)). S亚晶格中随机分布的类液态Ag离子是导致b-Ag_2S体心立方相具有低晶格热导率的主要原因.在573 K, Ag_2S的热电优值可达0.55,与Ag_2Se, Ag_2Te, CuAgSe等已报道的Ag基快离子导体热电材料的性能相当.     

Si100P2.5（GaP）1.5中随机孔洞对热电性能的影响

纯硅由于原材料来源广、熔点高,是潜在的太阳能热发电用热电材料.它的热电绩效因子ZT很小,室温只有0.01.本研究小组通过掺杂和结构纳米化制备了Si₁₀₀P_2.5（GaP）_1.5,获得813℃时的ZT为0.47.本文在此基础上,通过引入一种新的机制——随机孔洞——来进一步提高纯硅基材料Si₁₀₀P_2.5（GaP）_1.5的ZT.结果表明:由于孔洞增加了对低能载流子的过滤,Seebeck系数得到了提高;又由于孔洞对主要携带热量的声子的散射,晶格热导率大大降低,结果Si₁₀₀P_2.5（GaP）_1.5的ZT提高了32%.研究结果表明引入随机孔洞是增加纯硅基体系ZT的有效途径.     

碳纳米管纤维及薄膜的热导率和热扩散率研究

宏观碳纳米管(Carbon nanotube,CNT)薄膜的成功制备是发展有机热电材料的一个重要方向。由于CNT薄膜厚度仅为200 nm且多孔、粗糙度大,对其热学特性表征极为困难。本文提出应用3ω技术测量由单壁(Single-walled,SW)CNT薄膜卷曲成的宏观纤维的热导率和热扩散率,讨论了卷曲层数对结果的影响及估算薄膜面向热导率和热扩散率的思路。所研究的两个SWCNT薄膜的面向热导率为3.4 W/(m·K)和2.0 W/(m·K),热扩散率为24 mm~2/s和21mm~2/s。结果表明SWCNT薄膜将为发展低成本有机热电材料领域做出贡献。