鉛-銀-銻-碲 四元熱電材料系統之相平衡、微結構與熱電性質
Date Issued
2012
Author(s)
Advisor
陳信文
Abstract
在永續發展與環境保護的前提下，熱電材料被視為重要的能源材料之一。四元鉛-銀-銻-碲(Pb-Ag-Sb-Te)為高效能熱電材料系統，其中包括四元合金AgPbmSbTe2+m、三元化合物AgSbTe2及二元化合物PbTe等，都曾被報導具極佳的熱電轉換效率。為進一步開發新穎熱電材料與開拓熱電元件應用，本研究致力於建構此四元系統及其子系統(銀-銻-碲、銀-鉛-碲與鉛-銻-碲)之相圖、探討其微結構之變化與熱電特性之關係。以實驗方法建構銀-鉛-碲(Ag-Pb-Te) 三元系統之液相線投影圖，其中的三元共晶點(組成為Ag-4.3at%Pb-62.6at%Te，反應為: L=Ag5Te3+PbTe+Te)形成具方向性層狀微結構(lamellae)，200-600nm的PbTe相均勻生成於此層狀基材。此銀-鉛-碲三元共晶點為頗佳之熱電材料，具極低之熱傳導係數(0.3 W/mK)，且熱電優質在400K可達0.41。本研究亦建構銀-銻-碲(Ag-Sb-Te)三元系統於400℃及250℃之等溫相圖及液相線投影圖。其中，三元相AgSbTe2穩定存在400℃等溫相圖中，且具一定的溶解度範圍(49.0-53.0at%Te 及28.0-30.0at%Sb)及非化學劑量比例之平均組成 (Ag20Sb30Te50)；並以穿透式電子顯微鏡對三元相AgSbTe2進行相分析與晶體結構之鑑定。在三元銀-銻-碲液相線投影圖中，確認了具奈米級生成相的三元共晶點(L=Ag2Te+AgSbTe2+δ-Sb2Te，496.5℃)，200-600nm的Ag2Te相均勻分布在AgSbTe2與δ-Sb2Te組成的基材中；以穿透式電子顯微鏡對三元銀-銻-碲共晶材料進行高解析影像分析，可鑑定出三個不同的相區，分別為AgSbTe2、Ag2Te及δ-Sb2Te；透過慢速的單方向凝固法(0.3mm/hr) 研究此三元共晶材料的固化行為，其相鑑定結果亦與電鏡分析結果一致。為進一步了解此共晶結構的生長機制，並探討其共晶點延伸致四元空間中的行為，本研究以實驗方法建構了四元系統鉛-銀-銻-碲的液相線投影圖(於36at%Te定組成下)。另外，將第四元元素(鉛)添加至三元相AgSbTe2中，形成四元合金(組成為PbxAg20Sb30-xTe50 x=3,4,5 及 6)，並透過單方向凝固法合成具高密度、高純相(AgSbTe2)的片狀樣品。其中，以單方向凝固法生成的5at%Pb 與6at%Pb合金具有極低的熱傳導系數(κ)，約為0.3~0.4 W/mK；檢視其微結構可發現，其存在有晶界的不均勻性與奈米級的析出物(precipitates)。5at%Pb樣品之熱電優質(zT)可達0.7-0.8 (425K)，經過熱處理後，同樣組成樣品(5at%Pb)的熱電優質下降至0.4。判斷為熱處理步驟使得晶粒的尺寸增加、組成不均勻性降低，致使材料中的中長波聲子(phonon)繞射減少、熱傳導係數上升。
Subjects
熱電材料
鉛-銀-銻-碲
相平衡
微結構
熱電性質
Thermoelectric materials
Pb-Ag-Sb-Te
Phase equilibria
Microstructure
Thermoelectric properties
Description
國立清華大學/工學院/化學工程學系/博士(2012年)
Type
thesis