Pb含量與熱處理對AgPb18+xSbTe20合金熱電性質影響之探討

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許崇銘(Chung-ming Hsu) 查詢紙本館藏

畢業系所

材料科學與工程研究所

論文名稱

Pb含量與熱處理對AgPb18+xSbTe20合金熱電性質影響之探討
(Effect of Pb Content and Heat Treatment On Thermoelectric Properties of AgPb18+xSbTe20 Alloys)

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摘要(中)

碲化鉛(Lead Telluride, PbTe)為常見的中溫型熱電材料，具有優良的化學穩定性、高載子濃度與低熱傳導係數等優點，經不同摻雜物的添加可使其顯現n型或p型的傳輸性質，而摻雜Ag、Sb後形成之四元合金，稱為LAST (Lead, Antimony, Silver, Tellurium)合金，高ZT值為其最大特點。

本研究利用真空熔煉法結合熱壓燒結(450℃,1hr)製備AgPb18+xSbTe20 (x=0, 2, 4)，分別對其成分、微結構與熱電性質(載子特性、導電度及Seebeck係數)進行分析，探討Pb含量以及熱處理對LAST合金性質之影響。研究發現在量測溫度範圍內(室溫至427 ℃)，所有合金均呈現n型半導體之傳輸行為。另外，提高Pb含量可增加載子濃度，使導電度提升，但遷移率並未隨Pb含量持續增加，而經熱處理之合金遷移率可獲得改善，且整體溫度範圍內之功率因子(Power factor)皆有所提升。本研究所得最佳功率因子出現在熔煉後經熱處理再施以熱壓燒結之AgPb20SbTe20 與AgPb22SbTe20，於427℃時皆可達約1.7×10-3 W/m•K2 。

摘要(英)

PbTe　is　a　moderate-temperature　thermoelectric,　co-doping　of　Ag　and　Sb　in　PbTe　(Lead,　Antimony,　Silver　and　Tellurium,　LAST)　has　caused　great　interest　in　recent　years　due　to　its　high　ZT　value.

　　AgPb18+xSbTe20　(x=0, 2, 4)　were　fabricated　by　the　combination　process　of　melting　and　hot　pressing　methods.　The　influences　of　Pb　content　and　heat　treatment　on　the　thermoelectric　performance,　including　electrical　conductivity　and　Seebeck　coefficient,　were　investigated　in　this　work.　For　all　of　samples,　the　electrical　conductivity　and　the　Seebeck　coefficient　exhibited　the　typical　n-type　semiconductor　behavior　in　the　temperature　ranges　from　room　temperature　to　427 ℃.　Higher　Pb　content　increases　electrical　conductivity,　but　mobility　decreases　at　highest　Pb　content　(x=4).　Furthermore,　after　heat treatment for as-cast alloys at 800 ℃ for 10 hours, the　sintered　sample　show　better　mobility,　which　resulted　in　higher　power　factor　in　all　temperatures　compared　to　non　heat　treatment　ones.　According　to　the　results,　for　AgPb20SbTe20　and　AgPb22SbTe20　which　were　hot　pressed　after　heat　treatment,　has　maximum　power　factor　about　1.7×10-3　W/m•K2　at　427　℃.

關鍵字(中)

★ 熱處理
★ Pb含量
★ LAST
★ 熱電材料

關鍵字(英)

★ LAST
★ melting
★ heat treatment
★ thermoelectrics

論文目次

總目錄

摘要…………………………………………………………………… ⅰ

Abstract……………………………………………………………… ⅱ

誌謝…………………………………………………………………… ⅲ

總目錄………………………………………………………………… ⅳ

圖目錄………………………………………………………………… ⅶ

表目錄………………………………………………………………… ⅸ

一、前言與文獻回顧………………………………………………… 1

1.1　熱電材料簡介…………………………………………………… 1

1.2　熱電現象………………………………………………………… 2

1.3　熱電性質………………………………………………………… 3

1.4　熱電材料的分類………………………………………………… 4

1.5　PbTe系列熱電材料………………………………………………5

1.5.1　PbTe化合物簡介……………………………………5

1.5.2　PbTe摻雜Ag和Sb……………………………………8

1.5.3　改變Ag含量…………………………………………10

1.5.4　Pb含量之影響………………………………………11

1.5.5　熱處理的影響………………………………………12

1.5.6　PbTe添加其他元素或化合物對熱電性質的影響…14

1.6　實驗目的…………………………………………………………15

二、實驗方法與步驟…………………………………………………17

2.1　實驗方法與流程…………………………………………………17

2.2　合金製備流程……………………………………………………17

2.2.1　合金配置………………………………………………………17

2.2.2　熔煉流程………………………………………………………18

2.2.3　熱壓燒結流程…………………………………………………19

2.2.4　熱處理流程……………………………………………………20

2.3　結構分析…………………………………………………………20

2.3.1　X光粉末繞射儀………………………………………………20

2.4　微結構分析………………………………………………………20

2.4.1　光學顯微鏡……………………………………………………20

2.4.2　電子微探儀……………………………………………………21

2.5　熱電性質量測……………………………………………………21

2.5.1　導電度與Seebeck係數　……………………………………21

三、結果與討論………………………………………………………22

3.1　Pb含量之效應……………………………………………………22

3.1.1　X光繞射分析 …………………………………………………23

3.1.2　合金微結構分析………………………………………………25

3.1.3　成分分析………………………………………………………31

3.1.4　熱電性質分析…………………………………………………34

3.1.4.1　熱壓塊材之密度……………………………………………34

3.1.4.2　導電度………………………………………………………35

3.1.4.3　Seebeck係數………………………………………………40

3.1.4.4　功率因子……………………………………………………43

3.2　熱處理AgPb20SbTe20與AgPb22SbTe20…………………………45

3.2.1　X光繞射分析…………………………………………………45

3.2.2　微結構與成分分析……………………………………………47

3.2.3　熱電性質分析…………………………………………………50

3.2.3.1　導電度……………………………………………………51

3.2.3.2　Seebeck係數………………………………………………53

3.2.3.3　功率因子……………………………………………………54

四、結論………………………………………………………………57

五、未來工作………………………………………………………59

六、參考文獻………………………………………………………60

圖目錄

圖1.1　熱電發電與熱電致冷示意圖………………………………2

圖1.2　各種熱電材料ZT值與溫度變化之關係圖…………………5

圖1.3　PbTe的結晶結構……………………………………………6

圖1.4　Pb - Te二元相圖……………………………………………8

圖1.5　熱電優值對溫度變化情形…………………………………9

圖1.6　高解析穿透電子顯微影像…………………………………9

圖1.7　不同Ag含量下合金電阻率和溫度的關係………………10

圖1.8　不同Pb含量下合金(a)Seebeck係數和(b)電阻率與溫度的關　　　　係…………………………………………………………11

圖1.9　(a)電阻率(b)Seebeck係數(c)功率因子在380　℃下經不同　　　　退火時間的表現…………………………………………13

圖1.10　(a)未退火的試片與(b)退火30天的試片在HRTEM下的

　　　　影像………………………………………………………13

圖2.1　本實驗所使用之高溫爐……………………………………18

圖2.2　翻動石英管之過程示意圖…………………………………19

圖2.3　熱壓後之合金外觀…………………………………………19

圖2.4　ZEM-3量測裝置示意圖………………………………………21

圖3.1　各合金之X光繞射分析結果…………………………………24

圖3.2　AgPb18+xSbTe20(x=0、2、4)鑄態合金OM微結構金相圖…28

圖3.3　AgPb18SbTe20共晶相之背向散射電子成像圖………………29

圖3.4　熱壓後合金OM微結構金相圖…………………………………30

圖3.5　導電度與溫度的關係…………………………………………38

圖3.6　些微變形之ZEM-3試片………………………………………39

圖3.7　Seebeck係數與溫度之關係…………………………………42

圖3.8　功率因子與溫度之關係……………………………………44

圖3.9　X光繞射分析結果……………………………………………46

圖3.10　鑄態合金熱處理前後之金相圖……………………………49

圖3.11　導電度與溫度的關係………………………………………52

圖3.12　Seebeck係數與溫度之關係…………………………………55圖3.13　功率因子與溫度之關係……………………………………56

表目錄

表1.1　PbTe的物理性質………………………………………………7

表3.1　鑄態合金棒上、中與下層ICP成分分析結果………………22

表3.2　淺色相與深色相之EPMA成分分析……………………………29

表3.3　鑄態合金基地之EPMA成分分析與預設重量百分比…………33

表3.4　合金熱壓後之EPMA基地成分分析……………………………33

表3.5　熱壓塊材之量測密度與相對密度……………………………34

表3.6　導電度與溫度的關係…………………………………………38

表3.7　室溫下各合金熱壓塊材之載子濃度與遷移率………………39

表3.8　Seebeck係數與溫度之關係…………………………………42

表3.9　功率因子與溫度之關係………………………………………44

表3.10　熱處理後之AgPb20SbTe20與AgPb22SbTe20基地EPMA成分分　　　　析……………………………………………………………49

表3.11　詳細製程說明與對應代號…………………………………50

表3.12　導電度與溫度的關係………………………………………52

表3.13　室溫下各合金熱壓塊材之載子濃度與遷移率……………53

表3.14　Seebeck係數與溫度之關係…………………………………55

表3.15　功率因子與溫度之關係……………………………………56

參考文獻

參考文獻
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指導教授

李勝隆(Sheng-long Lee)

審核日期

2012-8-14

推文