本文研究的In2Se3热电材料是一类A2IIIB3VI型直接宽带隙半导体,在不同的温度下In2Se3可呈现多种不同的相,其对应的晶体结构和物理性质也会有所差别。本课题研究的主要内容是通过对In2Se3两种相的半导体材料进行元素掺杂,探究掺杂后,基体材料在结构和热电性能上的关联。主要研究结果总结如下:1、在α?In2Se3晶格内部存在着如Se空位(VSe)、In空位(VIn)、间隙In(Ini)以及范德华间隙等多种晶格缺陷。本文采用S等电子替换Se制备了α-In2Sx Se3-x(x=0,0.05,0.2,0.5)系列材料。通过掺杂硫元素,一方面,在产生额外缺陷的同时,会引起晶体内部固有缺陷的重排,避免VIn和Ini作为施主缺陷产生湮灭,从而增加载流子浓度、提高电导率;另一方面,掺杂元素会引起晶格畸变,增强声子散射作用,降低晶格热导率,从而改善材料热电性能。结果表明,在垂直压制方向上,当x=0.05时,材料In2S0.05Se0.95的热电性能改善最为明显,在923K时,其热电优值ZT达到最大值0.67,是本征α-In2Se3(ZT=0.24)的2.8倍。2、γ?In2Se3相在室温下能够以带缺陷的纤锌矿结构稳定存在,即在沿C轴方向,有三分之一的In原子空位呈螺旋状有序排列分布。本文中我们采用在溶液中扩散的方式向γ?In2Se3中掺杂锂元素,通过控制粉末样品在锂溶液中扩散的时间和温度,研究锂元素的掺入对样品内部结构和热电性能的关联。结果表明,扩散掺入的锂元素会占据晶体中固有的In原子空位,极大的提高材料载流子浓度,同时引起一定程度的晶格畸变,增强声子散射作用,降低晶格热导率,最终改善材料热电性能。如在γ?In2Se3中控制扩散时间为30h、扩散温度为50℃时,材料可获得最大热电优值0.63@923K,约为本征γ?In2Se3(ZT=0.15)的3.1倍。
