β-FeSi2基热电材料的制备及性能

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热电材料是一种性能优越，具有广泛应用前景的环境友好型材料。β-FeSi2热电材料因其具有高的Seebeck系数、成本低、原料丰富、环境友好等优点，成为一种非常有前景的半导体热电材料。 采用机械合金化结合热处理法制备了β-FeSi2热电材料，并合成了Co、Mn掺杂的β-FeSi2基热电材料；利用XRD、SEM、热电性能等表征测试手段，对球磨工艺、热处理工艺、掺杂元素、材料热电性能等进行了系统研究；采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法，对掺杂引起的β-FeSi2的电子结构变化进行详细的计算研究，在理论上验证了掺杂引起的热电性能变化规律。 分析得出最佳制备工艺为：将球料比为 80:1，Si/Fe原子比为2.5:1，球磨20h后的合金粉压片成型，在氩气保护下于 1250℃烧结3h，800℃退火20h后可制备得相结构稳定的β-FeSi2基热电材料。 对β-FeSi2基热电材料性能的研究表明：掺杂能够有效提高β-FeSi2的热电性能；通过Co 掺杂发现，试样为n型半导体，Fe1-xCoxSi2在x=0.03，873K时，试样的功率因子达到最大值为60 μWm-1K-2；Mn元素的掺杂属于p 型掺杂，Fe1-xMnxSi2在x=0.08，873K时，试样的功率因子达到最大值为32 μWm-1K-2。 采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法β-FeSi2 的电子结构及其各元素亚层电子的能态密度。β-FeSi2的电子能态密度主要由Fe的3d电子和Si 的2p电子的能态密度确定；其次通过计算不同掺杂位置的系统总能量，确定掺杂原子在β-FeSi2 中的置换位置，在β-FeSi2中Co 置换 FeⅡ位置的Fe原子、Mn置换 FeⅠ位置的Fe原子，这种择位置换与现有的计算结果完全一致；最后计算了 Fe1-xCoxSi2 和Fe1-xMnxSi2的电子结构，对它们的电子结构特征进行了分析，发现掺杂后电子的有效质量增加，费米能级附近的电子运动速度和浓度都将增加，电导率随之增加；费米面附近电子结构的复杂程度增加，所以掺杂后β-FeSi2的塞贝克系数也会增加。