P掺杂β-FeSi₂材料的制备与热电输运性能

作者：程俊; 张家伟; 仇鹏飞; 陈立东; 史迅

来源：无机材料学报, 2024, 39(08): 895-903.

• β-FeSi2
• 热电材料
• P掺杂
• 感应熔炼
• 载流子浓度
• 电声散射

β-FeSi2作为一种绿色环保、高温抗氧化的热电材料,在工业余热回收领域具有潜在的应用价值。虽然磷（P）是一种理想的β-FeSi2硅（Si）位的n型掺杂元素,但是P掺杂β-FeSi2易出现第二相,从而限制了其热电性能的提升。本研究采用感应熔炼法合成了一系列FeSi2–xPx（x=0,0.02,0.04,0.06）样品,极大程度地避免了第二相的产生,并系统研究了P掺杂对β-FeSi2热电输运性能的影响。结果表明,P在β-FeSi2中的掺杂极限约为0.04,与前期的理论缺陷计算结果相符。此外,P掺杂优化了β-FeSi2的热电性能,在850 K时,FeSi1.96P0.04的最高热电优值ZT约为0.12,远高于已有的研究结果（673 K,最高ZT仅为0.03）。然而,与同为n型Co和Ir掺杂的β-FeSi2相比(其载流子浓度可达1022 cm–3),P掺杂β-FeSi2的载流子浓度较低,最高仅为1020 cm–3,这导致其电声散射效应较弱,从而限制了整体热电性能的提升。若能提高其载流子浓度,则热电性能有望得到进一步提升。

• 单位
  高等研究院; 高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室; 中国科学院上海硅酸盐研究所; 中国科学院大学