掺杂Ga2Te3基半导体材料的结构与热电性能研究

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Ga2Te3是一类AIII2BVI3型宽禁带半导体材料,具有带缺陷(空位)的闪锌矿晶体结构,空间群为F-43m,禁带宽度为1.65eV。由于内部具有周期性的超晶格空位面,载流子及声子的输运阻力大,因此本征材料电导率及热导率均很低。本课题主要通过对Ga2Te3基半导体材料进行热处理和不同元素或化合物掺杂,研究材料成分,结构与热电性能之间的关系。主要研究结果总结如下:1.根据前期研究积累,通过对退火后材料的形成能计算和结构精修,证实掺杂Cu原子占据在Ga的晶格位置,扰乱了Ga空位的周期排布;其中,退火30天后的样品形成了雨滴状纳米条空位面,增强了对声子的散射能力,有效降低了晶格热导率,显著提高了材料的热电性能;在734K时,退火30天样品的ZT值达到最高值0.41,是同等温度下本征材料的2.5倍。同时还观察到,随着退火时间由30天延长到95天,不连续的空位面发生重组,削弱了对声子的散射能力,晶格热导率增大,限制了热电性能的进一步提升。2.分别设计并制备了Ga2-xCd1.5xTe3(x=0.025,0.05,0.1,0.2),Ga2-xCdxTe3(x=0.05,0.1,0.15,0.2),Cd(3-3m)Ga2mTe3(m=0.98,0.96,0.92,0.75)三种含Cd固溶体,并研究其热电性能。实验结果得出:只有当Ga2Te3与CdTe形成赝两元合金后,即Cd(3-3m)Ga2mTe3(其中,m=0.98,0.96,0.92,0.75),热电性能才能得到明显的提高。其中m=0.98时材料的电导率最高,ZT值达到最高值0.55(682K),是本征Ga2Te3最大ZT值的3.4倍。3.设计制备了Mn掺杂MnxGa2Te3(x=0.005,0.01,0.02,0.05,0.1,0.2,0.3)化合物。与本征材料相比,材料的Seebeck系数降低,电导率提高,热导率变化不明显。在640K时,Mn0.005Ga2Te3的ZT值达到最大值0.16。4.采用S替换Ga2Te3合金中Te的位置,设计制备了Ga2SxTe3-x(x=0.01,0.05,0.1,0.2,0.3)化合物。实验发现在675K-700K和710K-750K范围内出现了电学性能的突变,原因是在该两个温区出现了相变。在793K时,具有复相组织的Ga2S0.3Te2.7ZT值达到最大值0.17。
摘要第3-5页
ABSTRACT第5-7页
第一章 绪论第10-20页
    1.1 热电材料概述第10页
    1.2 热电效应及定义第10-13页
        1.2.1 热电效应原理(温差电效应)第10-11页
        1.2.2 材料热电性能参数第11-12页
        1.2.3 提高热电优值(ZT)值的方法第12-13页
    1.3 热电材料的种类及展望第13-15页
        1.3.1 单相热电材料第13-15页
        1.3.2 纳米复合材料第15页
    1.4 热电效应的应用第15-17页
    1.5 本课题的研究目的及内容第17-20页
第二章 实验第20-24页
    2.1 实验步骤第20-22页
        2.1.1 材料制备第20-21页
        2.1.2 材料表征第21-22页
    2.2 实验设备第22-24页
第三章 掺杂 Ga_2Te_3基半导体材料的结构及热电性能第24-34页
    3.1 前言第24页
    3.2 材料的制备与性能表征第24页
    3.3 结果与讨论第24-31页
        3.3.1 结构分析第24-29页
        3.3.2 Ga_(1.9)Cu_(0.05)Sb_(0.1)Te_(2.95)的热电性能分析第29-31页
    3.4 小结第31-34页
第四章 含镉 Ga_2Te_3基半导体材料的热电性能研究第34-42页
    4.1 前言第34页
    4.2 材料制备与性能表征第34页
    4.3 结果与讨论第34-41页
        4.3.1 Ga_(2-x)Cd_(1.5x)Te(x=0.025、0.05、0.1、0.2)结构与热电性能分析第34-37页
        4.3.2 Ga_(2-x)Cd_xTe_3(x=0.05、0.1、0.15、0.2)结构与热电性能分析第37-39页
        4.3.3 赝两元 Cd_((3-3m))Ga_(2m)Te_3合金的结构与热电性能第39-41页
    4.4 小结第41-42页
第五章 MnxGa_2Te_3合金的结构及其热电性能研究第42-46页
    5.1 前言第42页
    5.2 材料的制备与性能表征第42页
    5.3 结果与讨论第42-44页
        5.3.1 材料成分优化第42-43页
        5.3.2 热电性能分析第43-44页
    5.4 小结第44-46页
第六章 Ga_2S_xTe_(3-x)合金的结构及其热电性能研究第46-50页
    6.1 前言第46页
    6.2 材料的制备与性能表征第46页
    6.3 结果与讨论第46-48页
        6.3.1 材料成分优化第46-47页
        6.3.2 热电性能分析第47-48页
    6.4 小结第48-50页
第七章 结论第50-52页
参考文献第52-58页
致谢第58-60页
攻读硕士期间发表的论文第60页
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