深能级对窄带隙Bi2Te3基合金的少子调控及其热电性能优化
批准号:
52071218
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
胡利鹏
依托单位:
学科分类:
金属能源与环境材料
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
胡利鹏
中文摘要
少数载流子激发引起的双极扩散效应是限制窄带隙热电材料性能提升的主要因素。深能级普遍存在于半导体材料中,且对少数载流子和热电传输参数有着重要影响。因而,本项目提出深能级工程以调控少数载流子,并选择具有典型晶体结构和重要应用背景的Bi2Te3基合金为研究对象来表明这种新策略的有效性。本项目拟结合第一性原理计算和深能级瞬态谱测试,研究第三主族元素掺杂对深能级的类型、能量位置、空穴和电子的俘获截面、浓度及其分布等物理性质的影响,揭示窄带隙热电材料中深能级的形成原因及调控机制;研究深能级对少子浓度、迁移率、有效质量、寿命等参数的影响,阐明深能级工程对双极扩散效应的抑制机理;研究深能级对载流子和声子输运的作用机制,探索通过深浅能级的交互作用实现Bi2Te3基合金热电优值的显著提高。本项目的研究不仅加深了对深能级物理学的认识和理解,而且为深能级工程在其他窄带隙热电和功能材料中的应用提供了方向和指导。
英文摘要
The major obstacle limiting the thermoelectric performance of narrow bandgap semiconductors is the bipolar effects induced by minority carrier excitation. Deep levels are ubiquitous in semiconductors, which play significant roles on the minority carriers and thermoelectric transport parameters. Herein, deep level engineering is introduced to regulate minority carriers. And the effectiveness of this strategy is demonstrated on the Bi2Te3 based alloys, which have the typical crystal structure and great application prospect. The effects of group Ⅲ elements doping on the physical properties of deep level, including defect type, energy position, hole- and electron-capture cross section, concentration and concentration profiles, are thoroughly studied by the first principle calculation and deep level transient spectroscopy. And then the reason of deep level formation and its regulation mechanism in narrow bandgap thermoelectric materials would be clarified. The impacts of deep level on the concentration, mobility, effective mass and lifetime of minority carrier are investigated and then its inhibition mechanism on bipolar effect should be clear. By revealing the impacts of deep level on the carrier and phonon transport, we explore the possibility of thermoelectric performance breakthrough for Bi2Te3 based alloys by the interplay between the shallow and deep level in-gap states. This work not only deepens the understanding of deep level physics, but also provides direction and guidance for the application of deep level engineering in other narrow bandgap thermoelectric and functional materials.
本项目通过理论计算与实验相结合,阐明了第三主族元素(B、Al、Ga、In)在碲化铋基合金中产生深能级的原理,研究了第三主族元素掺杂对深能级的类型、能量位置及其分布等物理性质的影响。第一性原理计算表明,第三主族元素掺杂均在碲化铋合金中引入了杂质能级,呈现施主深能级和受主深能级并存的现象。深能级的形成主要是由基体元素最外层的p轨道与第三主族元素B的2p轨道、Al的2s轨道、Ga的4s轨道或In的5s轨道杂化而成。基于化学成分设计对深能级的有效引入与调控,揭示了深能级对热电传输参数的作用机制,发现了深能级的存在可以推迟双极效应的开始温度并显著降低双极效应热导率,有利于获得高的平均热电优值。系统研究了深能级掺杂对电声传输参数的作用机制,探索了通过深浅能级交互作用实现碲化铋基合金的热电性能突破。. 在实现对碲化铋体系深能级有效调控的基础上,开发了一系列具有先进热电性能的碲化铋基合金。(1)发现了B元素晶界富集形成第二相及细化晶粒尺寸的作用,将n型(Bi2Te2.7Se0.3)0.94B0.06的最大zT值提升至1.03。(2)揭示了Al硬纳米析出相阻碍热变形过程中动态再结晶的原理,实现了含高密度孪晶的碲化铋样品的可控制备,将p型Bi0.33Al0.02Sb1.65Te3-0.0005SbI3样品的最大zT值提升至1.29。(3)阐明了Ga在晶界异常凝固形成高密度Ga纳米相及位错网的机理,将p型Bi0.35Sb1.63Ga0.02Te3样品的最大zT值在375 K提升至1.53。(4)阐明了阴阳离子间的电负性差与原子尺寸差的同向变化与异向变化对反位缺陷的粗调与精调机制,将Bi0.4Sb1.59Ga0.01Te3样品的最大zT值在350 K提升至1.47。(5)提出了深能级工程实现了对窄带隙碲化铋合金少数载流子的有效调控,制备了具有最高平均zTave值的p型Bi0.396Sb1.525In0.075Cu0.004Te3合金。(6)通过高浓度In置换操控本征点缺陷的类型和浓度,成功将Bi0.5Sb1.5Te3由p型转变为n型,首次揭示了富Sb2Te3基合金的p-n型转变。. 本项目的研究不仅加深了对深能级物理学的认识和理解,而且为深能级工程在其他窄带隙热电和功能材料中的应用提供了方向和指导。
硫属化合物的化学键剪裁及其热电性能
优化
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批准号:--
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项目类别:省市级项目
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资助金额:100.0万元
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批准年份:2025
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负责人:胡利鹏
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依托单位:
碲化铋基合金的本征点缺陷调控及其热电性能优化
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批准号:51701126
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:25.0万元
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批准年份:2017
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负责人:胡利鹏
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依托单位:
国内基金
海外基金