大幅度提高纳米尺寸MnSi1.7的热电功率因子

利用废弃的热量，通过热电材料的温差发电原理发电，是国家急需发展的清洁能源之一。近十几年来，人们发现纳米热电材料的热导率很低，可以提高材料的热电性能。最近几年，人们认识到，要想进一步提高材料的热电性能，就必须大幅度提高纳米热电材料的热电功率因子（PF = SxS/R），即材料既要有很大的塞贝克系数 (S)，又要有很低的电阻率 (R)。对于传统的半导体热电材料，我们要实现它从理论上来说是很困难的。本工作在国家自然科学基金的支持下，以纳米尺寸的高锰-硅化合物（HMS，MnSi1.73）为研究对象，成功制备出P型 (Si / MnSi1.73 / Si) 纳米尺寸的三层薄膜材料。通过采用调制掺杂技术，即只把杂质（B， Al， Cu）掺入硅中，特别是掺入深能级杂质（Cu），可使材料的塞贝克系数增大，而电阻率减小，从而达到大幅度提高热电功率因子的目的。在 733 K 温度下，热电功率因子达到 3.140 x 10-3 W/m.K2, 超过了我们在申请基金时设定的目标：2.40 x 10-3 W/m.K2（日本科学家2000年报道的结果）。采用 MnSi2 和Si:B (1 at.%)共溅射的方法, 制备出 (MnSi1.73 + Si) 纳米复合薄膜材料，材料的电阻率下降，而塞贝克系数在高温时基本保持不变或略有增大。发展了一种分层镀 MnSi1.73 的方法，可以实现在提高材料的塞贝克系数的同时降低材料的电阻率。这些方法对提高其它热电材料的热电性能有一定的参考价值。在提高N型 MnSi1.73 材料的热电功率因子方面，由于我们没有制备出N型 Si 材料而受挫。加入少量N型 Fe0.95Co0.05Si2, 虽然可以降低材料的电阻率，在高温（583 K 以上）时能增大塞贝克系数，但热电功率因子提高的幅度有限，没有完成预定目标: 39 x 10-3 W/m.K2 (本课题组2008年报道的结果)。