四元n型铅硫化合物热电性能提升

【摘要】

n型、p型铅硫属化合物（PbQ，Q = Te，Se，S）已被证明具有较好的热电性能。近的一些研究，改变带隙、引入谐振态等，使得P型铅硫属化合物的热电性能有了显著提高。本文研究了（PbTe）0.75（PbS）0.15（PbSe）0.1的n型四元复合材料合成，并探讨了纳米结构对晶格热导率，载流子迁移率等的影响，并与类似的三元系统（PbTe）1-x（PbSe）x、（PbSe）1-x（PbS）x和（PbS）1-x（PbTe）x做了比较。缺陷和界面处的声子散射导致晶格热导率的降低，通过降低载流子迁移率来补偿。ZT值在800K时为~1.1，与PbTe、PbSe和（PbTe）1-x（PbSe）x的单相合金的热电性能相似。

【成果介绍】

通过混合定量的高纯度PbS，PbSe，Pb和Te（99.999％），加入0.05,0.085,0.16,0.39mol％的PbCl2掺杂剂，合成终的多晶（PbTe）0.75（PbS）0.15（PbSe）0.1样品。后经过烧结、淬火、研磨等工艺，终得到纳米结构的n型（PbTe）0.75（PbS）0.15（PbSe）0.1化合物。

使用德国Linseis的LSR-3测试塞贝克系数，Linseis LFA1000测试热扩散系数，通过ZT = S2Tσ/(κE+κL)计算得到热电优值。

【图文导读】

图1：n型（PbTe）0.75（PbS）0.15（PbSe）0.1X-ray衍射图案、富含PbS沉淀物的TEM明场图、能谱分析等。

图2：不同Cl含量的（PbTe）0.75（PbS）0.15（PbSe）0.1化合物的电阻、塞贝克系数、霍尔浓度等与温度的关系。

图3：n型（PbTe）0.75（PbS）0.15（PbSe）0.1与与其他相关化合物晶格热导率随温度变化关系

图4：不同Cl含量的n型（PbTe）0.75（PbS）0.15（PbSe）0.1热电优值与温度的关系

【结论】

纳米结构的四元n型（PbTe）0.75（PbS）0.15（PbSe）0.1化合物在800 K时的ZT值为1.1±0.2。与n型二元PbTe，PbSe和三元PbTe-PbSe相比，在载流子浓度相似时热电优值相似，但高于PbS和PbS-PbTe化合物。与基体单相合金相比，晶格热导率更低。这是由于分布式硫化物第二相的缺陷和界面导致的声子反射，电子散射的低载流子迁移率补偿。纳米结构的n型富含PbTe的铅硫属元素化物含有100nm左右的沉淀物，而且基体的非相干界面不能提供优于单相化合物的热电效率。需要进一步研究以充分实现各种沉淀物形态对该四元系复合物的电子传输性质的影响。