王莫凡 应鹏展 李勰 崔教林‡

1) (中国矿业大学材料科学与工程学院, 徐州 221116)

2) (宁波工程学院材料科学与化学工程学院, 宁波 315211)

Cu3SbSe4是一种具有黄铜矿结构的三元p-型半导体材料, 在热电领域颇受重视.本次工作采用在Cu3SbSe4中先掺杂Sn与S, 然后再掺杂Ga2Te3这一多组元掺杂方式, 通过能带及晶体结构计算, 了解多组元掺杂后热电性能提升的结构因素.能带计算表明, 共掺杂Sn与S后, 禁带区域萌生出杂质带, 导致材料的载流子浓度(nH)和电学性能大幅提高.在691 K时, 功率因子(PF)从本征的5.2 µW·cm–1·K–2增大到13.0 µW·cm–1·K–2.虽然Ga占位在Sb或Te占位在Se位置对能带结构作用甚少, 但四面体[SbSe4]和[SeCu3Sb]的键长和键角发生了改变, 从而产生了明显的局部点阵畸变.因此, 在691 K时, 晶格热导率(kL)从1.23 W·K–1·m–1降低到0.81 W·K–1·m–1, 有效地抑制了总热导率(k)的提高.最终, 材料的最大热电优值(ZT)为0.64, 而本征Cu3SbSe4的ZT值为0.26.

1 引 言

热电材料是一种通过载流子运动实现热能与电能相互转换的功能材料, 在制冷和发电领域具有巨大的应用价值.但商用材料的热电转换效率不是很高, 因此了解其声电协调机制继续改善现有热电材料性能仍然十分必要.

Cu3SbSe4是一种具有黄铜矿结构的三元p-型半导体材料, 因其具有较大的载流子有效质量(1.1me)和较窄的带隙宽度(0.13—0.29 eV)[1−3],在热电领域颇受重视.但本征Cu3SbSe4的热电性能并不高, 需要进行结构或成分调控加以提高.典型的研究策略为单元素掺杂调控载流子浓度, 同时可以增加点缺陷降低热导率.例, 采用Ib族Ag,IIIb族 (Al, Ga, In) 或IVb族(Ge, Sn)等单元素掺杂[1,2,4−13], 可将热电优……