探索N型碲化铋基合金迁移率调控机制及对热电性能的优化

一、引言1.1研究背景与意义随着全球经济的快速发展，能源需求持续增长，传统化石能源的过度开采与使用引发了能源短缺和环境污染等一系列严峻问题。在这种背景下，开发高效、清洁的能源转换与利用技术成为当务之急。热电材料作为一种能够实现热能与电能直接相互转换的功能材料，因其具有无运动部件、无噪音、无污染、可靠性高以及可微型化等诸多优点，在能源领域展现出了广阔的应用前景，受到了科学界和工业界的广泛关注。热电材料的应用主要体现在两个方面：一是利用塞贝克效应将热能直接转化为电能，实现温差发电，可用于工业废热回收、汽车尾气余热利用以及太阳能光热发电等领域，从而提高能源利用效率，减少能源浪费；二是基于珀尔帖效应实现热电制冷，应用于电子设备的散热、医疗设备的温控以及小型制冷系统等，相较于传统制冷技术，具有精确控温、响应速度快等优势。在众多热电材料中，碲化铋（Bi₂Te₃）基合金是目前室温附近性能最为优异且唯一实现商业化应用的热电材料。它具有独特的层状晶体结构，这种结构赋予了其良好的热电性能。在该结构中，Bi₂Te₃由[Bi₂Te₃]⁰层和[Bi₂Te₄]²⁻层交替堆叠而成，层内原子通过较强的共价键结合，而层间则通过较弱的范德华力相互作用。这种特殊的结构使得电子在层内具有较高的迁移率，有利于电输运过程，而声子在层间的散射较强，从而降低了热导率，为实现高热电性能提供了结构基础。碲化铋基合金包括p型和n型两种类型，其中BixSb₂₋ₓTe₃是典型的p型热电材料，Bi₂Te₃₋ₓSex则是典型的n型热电材料。在实际应用中，热电器件通常是由p型和n型热电材料组成的热电模块，二者协同工作才能实现高效的热电转换。然而，目前p型BixSb₂₋ₓTe₃材料的热电优值ZT（衡量热电材料性能的重要指标，ZT=S²σT/κ，其中S为塞贝克系数，σ为电导率，T为绝对温度，κ为热导率）已可达1.4-1.8，而n型Bi₂Te₃₋ₓSex材料的ZT却很少高于1.0。这种p型与n型碲化铋基材料之间热电性能的严重失衡，极大地限制了热电器件整体转换效率的提升，进而阻碍了其在更广泛领域的大规模应用。因此，开展对n型碲化铋基合金的研究，提升其热电性能，对于打破p型与n型材料之间的性能差距，提高热电器件的转换效率，推动热电技术的发展具有至关重要的意义。通过对n型碲化铋基合金迁移率的调控，有望优化其电学性能，同时结合对热导率等其他热电参数的协同优化，实现n型碲化铋基合金热电性能的全面提升，为热电材料在能源领域的高效应用提供坚实的材料基础和技术支撑。1.2N型碲化铋基合金概述N型碲化铋基合金通常是在碲化铋（Bi₂Te₃）的基础上，通过元素掺杂或合金化形成的一类热电材料，其典型代表为Bi₂Te₃₋ₓSex。在Bi₂Te₃的晶体结构中，铋（Bi）原子和碲（Te）原子按照特定的排列方式形成层状结构，这种结构赋予了材料独特的电学和热学性质。在N型碲化铋基合金中，硒（Se）原子部分取代了碲（Te）原子，从而改变了材料的电子结构和载流子特性。N型碲化铋基合金具有一些显著的特性。在电学方面，它具有一定的电子迁移率，能够在电场作用下实现电子的定向移动，从而传导电流。其载流子浓度和迁移率等电学参数对其热电性能有着关键影响。在热学方面，该合金的热导率相对较低，这主要归因于其层状结构对声子的散射作用较强，使得热量传递受到一定阻碍。较低的热导率有利于维持材料两端的温差，从而提高热电转换效率。与p型碲化铋基材料（如BixSb₂₋ₓTe₃）相比，N型碲化铋基合金的热电性能存在明显差异。在ZT值方面，如前文所述，p型BixSb₂₋ₓTe₃材料的ZT已可达1.4-1.8，而N型Bi₂Te₃₋ₓSex材料的ZT却很少高于1.0。从塞贝克系数来看，p型材料和N型材料的载流子类型不同，导致其塞贝克系数的大小和温度依赖性也有所不同。在电导率和热导率方面，二者也存在一定的差异，这些差异综合影响了它们的热电性能。目前，N型碲化铋基合金的性能仍有较大的提升空间。在电学性能方面，进一步提高其迁移率，同时合理调控载流子浓度，有望显著提升其功率因子。在热学性能方面，通过优化微观结构，进一步降低热导率，也是提高其热电性能的关键途径。未来的研究方向可以集中在探索新的元素掺杂或合金化方案，以实现对N型碲化铋基合金迁移率和其他热电参数的有效调控。同时，结合先进的材料制备技术，如纳米结构调控、织构化处理等，有望实现N型碲化铋基合金热电性能的全面提升。1.3研究内容与创新点本研究将围绕N型碲化铋基合金迁移率调控及其热电性能展开，具体研究内容如下：N型碲化铋基合金迁移率调控方法研究：探索不同元素掺杂对N型碲化铋基合金迁移率的影响。通过理论计算，如第一性原理计算，预测不同元素（如In、Sb、Se等）在Bi₂Te₃晶格中的掺杂位置和对电子结构的影响，进而分析其对迁移率的作用机制。在此基础上，采用实验方法，如溶胶-凝胶法、机械合金化法等，制备一系列不同元素掺杂的N型碲化铋基合金样品。通过控制掺杂元素的种类、含量和掺杂方式，精确调控合金的迁移率。研究纳米结构对迁移率的影响。利用高能球磨、放电等离子烧结等技术制备具有纳米结构的N型碲化铋基合金。通过控制纳米结构的尺寸、形状和分布，研究其对载流子散射机制的影响，从而揭示纳米结构与迁移率之间的关系。例如，研究纳米晶界对载流子的散射作用，以及如何通过优化纳米结构来减少不利散射，提高迁移率。迁移率调控对N型碲化铋基合金热电性能的影响研究：系统研究迁移率调控后合金的热电性能变化。测量不同迁移率样品的塞贝克系数、电导率和热导率等热电参数。分析迁移率与这些热电参数之间的定量关系，明确迁移率对功率因子和热电优值ZT的影响规律。例如，通过实验数据拟合，建立迁移率与功率因子之间的数学模型，为优化热电性能提供理论依据。研究迁移率调控与其他热电性能优化方法的协同作用。结合降低热导率的方法，如引入声子散射中心、形成固溶体等，探索迁移率调控与热导率降低之间的协同效应。分析在同时调控迁移率和热导率的情况下，合金的热电性能如何变化，寻找实现热电性能最大化的最佳调控策略。N型碲化铋基合金迁移率调控的内在机制研究：基于实验结果和理论计算，深入研究迁移率调控的内在物理机制。利用X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）等表征手段，分析合金的晶体结构、微观形貌和缺陷状态。结合电子顺磁共振（EPR）、霍尔效应测量等技术，研究载流子的浓度、迁移率和散射机制。通过理论计算，如电子结构计算、声子谱计算等，从原子和电子层面解释迁移率调控的物理本质。例如，研究掺杂元素如何改变Bi₂Te₃的能带结构，进而影响载流子的迁移率；分析纳米结构如何散射声子和载流子，实现对热电性能的优化。本研究的创新点主要体现在以下几个方面：多维度迁移率调控策略：综合运用元素掺杂和纳米结构调控两种手段，从原子尺度和微观结构尺度两个维度对N型碲化铋基合金的迁移率进行协同调控，区别于传统的单一调控方法，有望实现迁移率的大幅提升和热电性能的全面优化。深入的机制研究：结合先进的实验表征技术和理论计算方法，从微观层面深入揭示迁移率调控的内在物理机制。不仅关注迁移率与热电性能之间的宏观关系，更从原子和电子层面解释调控过程中的物理现象，为材料设计和性能优化提供坚实的理论基础。探索新型调控元素和结构：尝试引入一些尚未在N型碲化铋基合金迁移率调控中广泛研究的元素和结构，拓宽迁移率调控的研究范围。通过探索新型调控元素和结构，有可能发现新的迁移率调控机制和高性能热电材料体系，为该领域的发展提供新的思路和方向。二、N型碲化铋基合金迁移率的理论基础2.1迁移率的定义与物理意义迁移率（mobility）是指单位电场强度下所产生的载流子平均漂移速度，其数学表达式为\mu=\frac{v_d}{E}，其中\mu为迁移率，单位是平方厘米/（伏・秒）（cm^2/(V·s)）；v_d为载流子的平均漂移速度，单位为厘米/秒（cm/s）；E为电场强度，单位是伏特/厘米（V/cm）。这一定义直观地反映了载流子在电场作用下的运动能力，迁移率越大，意味着在相同电场强度下载流子的平均漂移速度越快。在热电材料中，迁移率对载流子输运起着至关重要的作用。载流子的输运过程直接影响着材料的电学性能，而迁移率作为描述载流子运动难易程度的关键参数，与电导率密切相关。根据电导率的计算公式\sigma=nq\mu（其中\sigma为电导率，n为载流子浓度，q为载流子电荷量），可以清晰地看出，在载流子浓度和电荷量不变的情况下，迁移率的提高能够显著增大电导率。较高的电导率对于提高热电材料的功率因子（PF=S^2\sigma，其中S为塞贝克系数）具有重要意义，因为功率因子是衡量热电材料将热能转化为电能能力的重要指标之一。从微观角度来看，迁移率反映了载流子在材料晶格中运动时受到散射的程度。载流子在材料中运动时，会与晶格中的原子、杂质、缺陷以及声子等发生相互作用，这些相互作用会导致载流子的散射，从而改变其运动方向和速度。当散射较弱时，载流子能够较为自由地在晶格中移动，迁移率较高；反之，当散射较强时，载流子的运动受到较大阻碍，迁移率则较低。在N型碲化铋基合金中，由于其独特的层状晶体结构，层内原子通过较强的共价键结合，为载流子提供了相对较为平滑的运动路径，使得电子在层内具有较高的迁移率。然而，层间通过较弱的范德华力相互作用，这种结构也会导致一些缺陷和界面的存在，可能会对载流子产生散射作用，影响其迁移率。此外，合金中的杂质原子、晶格振动产生的声子等也会与载流子发生散射，进一步影响迁移率的大小。因此，深入理解迁移率的物理意义，对于研究N型碲化铋基合金中载流子的输运机制以及优化其热电性能具有重要的理论指导价值。2.2影响N型碲化铋基合金迁移率的因素2.2.1晶体结构的影响N型碲化铋基合金具有典型的层状晶体结构，这种结构对迁移率有着显著的影响。在其晶体结构中，[Bi₂Te₃]⁰层和[Bi₂Te₄]²⁻层交替堆叠，层内原子通过较强的共价键结合，形成了相对稳定且规整的原子排列。这种紧密的共价键结构为载流子（电子）提供了较为平滑的运动路径，使得电子在层内运动时受到的散射较弱，从而具有较高的迁移率。层间通过较弱的范德华力相互作用，这导致层间的结合力相对较弱，容易产生一些缺陷和界面。这些缺陷和界面会成为载流子散射的中心，当电子在层间运动或跨越层间时，会与这些缺陷和界面发生相互作用，从而改变运动方向和速度，导致迁移率降低。层间的相对滑动或错位也可能会影响载流子的输运，进一步对迁移率产生负面影响。不同的晶体取向也会对迁移率产生影响。由于晶体结构的各向异性，载流子在不同晶向上的迁移率存在差异。在某些晶向上，载流子的运动可能更容易受到晶体结构的阻碍，导致迁移率较低；而在另一些晶向上，载流子则能够更顺畅地运动，迁移率相对较高。研究表明，通过优化晶体取向，如采用织构化处理等方法，使晶体的特定晶向与载流子传输方向相匹配，可以有效提高迁移率。例如，在热变形工艺制备的强织构n型碲化铋基热电材料中，通过控制热变形过程，使晶体的〈111〉晶向体积分数达到70%以上，材料的Seebeck系数和电导率都有所提高，这在一定程度上反映了晶体取向优化对迁移率及热电性能的积极影响。2.2.2杂质缺陷的影响杂质原子的引入会显著影响N型碲化铋基合金的迁移率。当杂质原子进入合金晶格时，可能会产生晶格畸变。杂质原子的尺寸与合金中原有原子尺寸不同，会导致周围晶格的局部变形，这种晶格畸变会破坏晶体的周期性势场，使得载流子在运动过程中受到额外的散射作用。例如，当引入比Bi和Te原子尺寸较大或较小的杂质原子时，会在晶格中产生应力场，载流子在通过这些区域时，会与应力场相互作用，从而降低迁移率。杂质原子还可能会引入额外的电子或空穴，改变合金的载流子浓度。当杂质原子作为施主时，会向晶格中提供额外的电子，增加载流子浓度；而作为受主时，则会接受电子，减少载流子浓度。载流子浓度的变化会进一步影响迁移率，根据半导体物理理论，在一定范围内，载流子浓度的增加可能会导致迁移率下降，这是因为载流子之间的相互作用增强，散射几率增大。晶体中的缺陷，如空位、位错等，也会对迁移率产生重要影响。空位是指晶格中原子缺失的位置，位错则是晶体中原子排列的线状缺陷。这些缺陷会破坏晶体的完整性，形成局部的能量陷阱或散射中心。载流子在运动过程中，容易被这些缺陷捕获或散射，从而降低迁移率。空位会导致载流子的散射，使载流子的运动路径变得曲折，增加了散射几率；位错则会产生应力场，与载流子发生相互作用，阻碍载流子的运动。通过控制杂质缺陷的浓度和分布，可以在一定程度上调控迁移率。适当引入一些杂质原子或缺陷，有可能在降低热导率的同时，对迁移率的影响较小，甚至通过优化散射机制，提高迁移率。例如，在一些研究中，通过精确控制掺杂元素的含量和分布，实现了对N型碲化铋基合金迁移率和热电性能的协同优化。2.2.3温度的影响温度对N型碲化铋基合金迁移率的影响较为复杂，主要通过影响载流子的散射机制来实现。在低温下，晶格振动较弱，声子对载流子的散射作用相对较小。此时，杂质和缺陷对载流子的散射起主导作用。由于杂质和缺陷的分布相对固定，载流子在低温下的散射几率相对稳定，迁移率主要受杂质和缺陷浓度的影响。当温度升高时，晶格振动加剧，声子的数量和能量增加。声子与载流子之间的相互作用增强，成为载流子散射的主要因素。声子散射会使载流子的运动方向不断改变，增加了散射几率，从而导致迁移率随温度升高而降低。在高温下，载流子的热运动加剧，其能量分布更加分散，也会增加载流子与晶格、杂质和缺陷之间的相互作用，进一步降低迁移率。温度还可能会影响合金的晶体结构和杂质缺陷的状态。在高温下，晶体结构可能会发生一定的变化，如晶格膨胀、原子间距离改变等，这些变化可能会影响载流子的运动路径和散射几率。高温还可能导致杂质原子的扩散和重新分布，以及缺陷的产生和复合，从而对迁移率产生间接影响。2.3迁移率与热电性能的关系热电性能的评价指标主要包括塞贝克系数（S）、电导率（\sigma）、热导率（\kappa）以及热电优值（ZT）。塞贝克系数是指在单位温度梯度下，材料两端产生的开路电压，它反映了材料将热能转化为电能的能力，其单位为微伏每开尔文（\muV/K）。电导率则表示材料传导电流的能力，单位是西门子每米（S/m）。热导率用于衡量材料传导热量的能力，单位为瓦特每米开尔文（W/(m·K)）。热电优值ZT是综合评价热电材料性能的关键指标，其表达式为ZT=S^2\sigmaT/\kappa，其中T为绝对温度。ZT值越高，表明热电材料在特定温度下将热能转化为电能的效率越高。迁移率对塞贝克系数有着重要影响。根据半导体物理理论，塞贝克系数与载流子的平均能量和迁移率密切相关。在一定程度上，迁移率的变化会改变载流子的散射机制，进而影响载流子的平均能量分布。当迁移率提高时，载流子在电场作用下的运动更加顺畅，散射几率减小，载流子的平均能量分布发生变化，从而导致塞贝克系数改变。对于N型碲化铋基合金，在低迁移率情况下，载流子受到较多的散射，其平均能量分布较宽，塞贝克系数相对较小；而当迁移率增加时，载流子的散射减少，平均能量分布相对集中，塞贝克系数可能会增大。然而，迁移率与塞贝克系数之间的关系并非简单的线性关系，还受到材料的能带结构、载流子浓度等因素的影响。在一些情况下，迁移率的增加可能会导致塞贝克系数先增大后减小，这是因为载流子浓度和迁移率的综合变化会对塞贝克系数产生复杂的影响。迁移率与电导率之间存在着直接的关联，根据电导率的计算公式\sigma=nq\mu，在载流子浓度n和电荷量q不变的情况下，迁移率\mu的提高能够显著增大电导率。较高的电导率对于提高热电材料的功率因子（PF=S^2\sigma）具有重要意义。在N型碲化铋基合金中，通过调控迁移率可以有效地改变电导率，从而影响功率因子。当通过元素掺杂或纳米结构调控等手段提高迁移率时，电导率随之增加，在塞贝克系数变化不大的情况下，功率因子会显著提高。然而，如果在提高迁移率的过程中，引入了过多的杂质或缺陷，导致载流子浓度发生较大变化，那么电导率与迁移率之间的简单线性关系可能会被破坏。过多的杂质原子可能会引入额外的散射中心，虽然迁移率有所提高，但载流子浓度却大幅下降，最终导致电导率不升反降。迁移率对热导率的影响主要体现在电子热导率方面。热导率由电子热导率（\kappa_e）和晶格热导率（\kappa_l）两部分组成，即\kappa=\kappa_e+\kappa_l。根据维德曼-弗兰兹定律，电子热导率与电导率之间存在如下关系：\kappa_e=L\sigmaT，其中L为洛伦兹常数。由于电导率与迁移率密切相关，所以迁移率的变化会通过电导率间接影响电子热导率。当迁移率提高，电导率增大时，电子热导率也会相应增加。在N型碲化铋基合金中，若只考虑迁移率对电子热导率的影响，迁移率的提升会使电子热导率上升，这对降低总热导率不利。然而，在实际情况中，往往可以通过一些手段在提高迁移率的同时，降低晶格热导率，从而实现对总热导率的有效控制。引入纳米结构，纳米晶界可以强烈散射声子，降低晶格热导率，而对迁移率的影响较小，从而在一定程度上抵消了迁移率提高导致的电子热导率增加，实现总热导率的降低。迁移率对热电优值ZT起着至关重要的作用。由于ZT=S^2\sigmaT/\kappa，迁移率通过影响塞贝克系数、电导率和热导率，进而对ZT值产生综合影响。当迁移率得到有效调控时，可能会出现以下几种情况来提高ZT值。迁移率的提高使得电导率增大，若此时塞贝克系数变化不大，且热导率能够得到有效控制，那么功率因子S^2\sigma增大，而热导率\kappa不变或减小，ZT值将显著提高。通过优化迁移率，改善了载流子的散射机制，使得塞贝克系数和电导率同时得到优化，即使热导率略有增加，由于功率因子的大幅提升，ZT值仍有可能提高。在N型碲化铋基合金中，通过合理的元素掺杂和纳米结构调控，实现迁移率的优化，从而提高ZT值是目前研究的重点方向之一。三、调控N型碲化铋基合金迁移率的方法3.1元素掺杂3.1.1常见掺杂元素及作用在N型碲化铋基合金中，常见的掺杂元素包括硒（Se）、锑（Sb）、铟（In）等，这些元素的掺入能够对合金的载流子浓度、晶格结构以及迁移率产生显著影响。硒（Se）是N型碲化铋基合金中常用的掺杂元素，在Bi₂Te₃中，部分Te原子被Se原子取代形成Bi₂Te₃₋ₓSex合金。Se的原子半径与Te相近，这种取代对晶格结构的影响相对较小，能保持合金层状结构的稳定性。从载流子角度来看，Se的掺入主要是调节载流子浓度。由于Se和Te的价电子结构相似，在一定程度上，Se的掺杂会改变合金的电子浓度，从而影响载流子的输运过程。适量的Se掺杂可以优化载流子浓度，减少载流子之间的散射，提高迁移率。当Se的掺杂量在一定范围内时，合金的电导率和迁移率会有所提高，这是因为优化后的载流子浓度使得载流子在电场作用下能够更顺畅地运动。然而，当Se掺杂量过高时，可能会引入过多的杂质散射中心，反而降低迁移率。锑（Sb）也是一种常见的掺杂元素。Sb的原子半径与Bi和Te有一定差异，当Sb掺入Bi₂Te₃晶格中时，会引起晶格畸变。这种晶格畸变会破坏晶体的周期性势场，从而对载流子的运动产生影响。从载流子浓度方面来看，Sb的掺杂可以引入额外的电子或空穴，具体取决于其在晶格中的位置和掺杂方式。在某些情况下，Sb掺杂可以增加电子浓度，提高电导率。在提高电导率的同时，晶格畸变也会导致载流子散射增加，这对迁移率的影响较为复杂。适量的Sb掺杂可以通过优化载流子浓度和散射机制，在一定程度上提高迁移率。当Sb的掺杂量较小时，虽然会引起晶格畸变，但优化后的载流子浓度对迁移率的提升作用可能超过晶格畸变带来的散射影响，从而使迁移率有所提高。但当Sb掺杂量过大时，晶格畸变严重，载流子散射急剧增加，迁移率会显著下降。铟（In）掺杂同样会对N型碲化铋基合金产生重要影响。In的原子半径与Bi和Te不同，掺入后会引起明显的晶格畸变。这种晶格畸变不仅会改变晶体的周期性势场，还可能引入新的缺陷和杂质能级。从载流子角度来看，In的掺杂可以改变载流子的浓度和散射机制。In可能作为施主或受主，向晶格中提供或接受电子，从而改变载流子浓度。In掺杂引入的晶格畸变和新的杂质能级会增加载流子的散射几率。在低掺杂浓度下，In的掺杂可能通过优化载流子浓度，使迁移率略有提高。但随着掺杂浓度的增加，晶格畸变和杂质散射的影响逐渐增强，迁移率会逐渐降低。研究表明，在In掺杂的N型碲化铋基合金中，当In的掺杂量在0.5%-1.5%范围内时，合金的迁移率和热电性能可能会出现最佳值。3.1.2掺杂浓度对迁移率的影响掺杂浓度对N型碲化铋基合金迁移率的影响呈现出复杂的变化规律，这一规律可以通过实验数据和理论分析进行深入阐述。在较低的掺杂浓度范围内，随着掺杂元素含量的增加，迁移率可能会出现上升趋势。以硒（Se）掺杂Bi₂Te₃为例，当Se的掺杂浓度较低时，Se原子部分取代Te原子，能够优化合金的载流子浓度。在这个过程中，载流子之间的散射作用减弱，使得载流子在电场作用下的运动更加顺畅，迁移率得以提高。有研究通过实验制备了不同Se掺杂浓度的Bi₂Te₃₋ₓSex合金，并测量了其迁移率。当x从0逐渐增加到0.2时，迁移率呈现出逐渐上升的趋势，这表明在低掺杂浓度下，优化载流子浓度对迁移率的提升作用占据主导地位。从理论分析来看，根据半导体物理中的散射理论，在低掺杂浓度下，杂质散射相对较弱，载流子主要受到晶格散射的影响。适量的掺杂可以调整载流子浓度，使其更接近最佳值，从而降低晶格散射对载流子的阻碍作用，提高迁移率。随着掺杂浓度的进一步增加，迁移率会逐渐下降。当Se的掺杂浓度超过一定值（如x>0.3）时，迁移率开始明显降低。这是因为过高的掺杂浓度会引入过多的杂质原子，这些杂质原子会在晶格中形成大量的散射中心，增强载流子与杂质之间的散射作用。杂质原子还可能导致晶格畸变加剧，进一步破坏晶体的周期性势场，使得载流子在运动过程中受到更多的阻碍，从而降低迁移率。从理论上分析，随着掺杂浓度的增加，杂质散射逐渐成为主导散射机制，根据散射几率与杂质浓度的关系，杂质浓度的增加会导致散射几率急剧增大，从而使迁移率迅速下降。在某些情况下，迁移率与掺杂浓度之间可能存在一个最佳值。对于锑（Sb）掺杂的N型碲化铋基合金，当Sb的掺杂浓度在一定范围内（如1%-3%）时，合金的迁移率能够达到最大值。在这个范围内，Sb的掺杂既能优化载流子浓度，又能通过合理的晶格畸变和散射机制调整，使得迁移率达到最佳状态。当掺杂浓度低于这个范围时，载流子浓度的优化效果不明显，迁移率提升有限；而当掺杂浓度高于这个范围时，晶格畸变和杂质散射的负面影响超过了载流子浓度优化带来的好处，导致迁移率下降。这种最佳掺杂浓度的存在，为通过元素掺杂调控N型碲化铋基合金迁移率提供了重要的参考依据，在实际材料制备过程中，可以通过精确控制掺杂浓度，实现迁移率的优化，进而提高合金的热电性能。3.2纳米复合3.2.1纳米相的选择与制备在N型碲化铋基合金的纳米复合研究中，纳米相的选择至关重要，需遵循一系列原则。纳米相的晶格结构和晶格常数应与N型碲化铋基合金基体具有一定的匹配度，以确保在复合过程中能够形成良好的界面结合，减少界面缺陷和应力集中。若纳米相的晶格结构与基体差异过大，可能导致界面处晶格失配严重，从而产生大量缺陷，这些缺陷会成为载流子和声子的散射中心，不利于热电性能的提升。纳米相应具备良好的化学稳定性，在与碲化铋基合金复合后，不会与基体发生化学反应，影响材料的组成和性能。纳米相还应具有一定的电学和热学特性，能够对基体的热电性能产生积极影响。选择具有低晶格热导率的纳米相，可进一步降低复合材料的热导率；选择合适的半导体纳米相，有可能通过界面效应调控载流子浓度和迁移率。常见的用于与N型碲化铋基合金复合的纳米相包括碳纳米管（CNTs）、石墨烯（Graphene）、纳米氧化物（如TiO₂、ZrO₂）以及一些半导体纳米颗粒（如Ag₂Se、PbSe）等。碳纳米管具有优异的电学性能，其高电子迁移率和独特的一维结构，能够为载流子提供快速传输通道。在与N型碲化铋基合金复合后，碳纳米管可以在基体中形成导电网络，增强载流子的传输能力，从而提高迁移率。制备碳纳米管的方法主要有化学气相沉积法（CVD），该方法是在高温和催化剂的作用下，将气态的碳源（如甲烷、乙烯等）分解，碳原子在催化剂表面沉积并生长形成碳纳米管。通过控制反应温度、气体流量和催化剂种类等参数，可以精确控制碳纳米管的管径、长度和纯度。催化热解法也是制备碳纳米管的常用方法，它利用催化剂在高温下对碳氢化合物进行催化分解，使碳原子在催化剂颗粒表面成核并生长成碳纳米管。这种方法可以在较低的温度下制备碳纳米管，且产量较高，但产品的纯度和管径均匀性相对较差。石墨烯是一种由碳原子组成的二维材料，具有极高的载流子迁移率和良好的热导率。在N型碲化铋基合金中引入石墨烯，能够改善材料的电学性能，同时在一定程度上调节热导率。石墨烯的制备方法主要有机械剥离法，该方法是通过胶带等工具从石墨晶体表面逐层剥离，得到单层或多层石墨烯。这种方法制备的石墨烯质量较高，但产量较低，难以满足大规模应用的需求。化学气相沉积法也可用于制备石墨烯，通过在高温下将气态碳源分解，碳原子在金属基底表面沉积并反应生成石墨烯。这种方法可以在大面积基底上生长高质量的石墨烯，适合大规模制备。纳米氧化物如TiO₂、ZrO₂等具有较高的硬度和化学稳定性，在与N型碲化铋基合金复合后，能够增强材料的力学性能，同时纳米氧化物颗粒可以作为声子散射中心，有效降低热导率。制备纳米TiO₂常用的方法有溶胶-凝胶法，该方法是将钛醇盐或钛的无机盐溶解在有机溶剂中，通过水解和缩聚反应形成溶胶，再经过陈化、干燥和煅烧等过程得到纳米TiO₂。通过控制反应条件，如溶液的pH值、反应温度和时间等，可以精确控制纳米TiO₂的粒径和形貌。水热法也是制备纳米TiO₂的重要方法，它是在高温高压的水溶液中，使钛的前驱体发生水解和结晶反应，生成纳米TiO₂。这种方法制备的纳米TiO₂结晶度高，粒径分布均匀。半导体纳米颗粒Ag₂Se、PbSe等具有与N型碲化铋基合金相似的半导体特性，在复合后可以通过界面效应和能带调控等机制，优化材料的电学性能。以Ag₂Se纳米颗粒为例，其制备方法可以采用化学溶液法，将硝酸银和硒粉溶解在适当的溶剂中，通过控制反应温度、时间和反应物浓度等条件，使Ag⁺和Se²⁻发生反应生成Ag₂Se纳米颗粒。这种方法可以精确控制纳米颗粒的尺寸和形状，且制备过程相对简单。3.2.2纳米复合对迁移率的调控机制纳米复合对N型碲化铋基合金迁移率的调控机制主要涉及界面散射和载流子散射等方面。在纳米复合体系中，纳米相和基体之间存在大量的界面，这些界面会对载流子产生散射作用。当载流子运动到界面处时，由于纳米相和基体的晶体结构、电子结构以及能带结构等存在差异，载流子会与界面发生相互作用，从而改变运动方向和速度，导致散射。在N型碲化铋基合金与碳纳米管复合的体系中，碳纳米管与基体之间的界面会对载流子产生散射。然而，这种散射作用并非完全不利，当界面结构和性质得到优化时，界面可以对载流子起到筛选和过滤的作用。能量较低的载流子更容易被界面散射，而能量较高的载流子则能够顺利通过界面继续传输。这种能量过滤效应可以使参与导电的载流子平均能量提高，从而在一定程度上提高迁移率。纳米相的引入还会改变载流子的散射机制。在未复合纳米相的N型碲化铋基合金中，载流子主要受到晶格散射和声子散射的影响。当引入纳米相后，纳米颗粒本身以及纳米相和基体之间的界面会成为新的散射中心，增加了载流子的散射几率。纳米颗粒的尺寸、形状和分布对载流子散射有着重要影响。当纳米颗粒尺寸与载流子的平均自由程相近时，载流子与纳米颗粒的散射几率会显著增加。然而，如果纳米颗粒的分布均匀且尺寸控制在一定范围内，通过合理设计散射机制，可以使载流子在散射过程中损失的能量最小化，甚至在某些情况下，通过优化散射机制，提高迁移率。研究表明，在N型碲化铋基合金中引入均匀分布的纳米氧化物颗粒，虽然增加了散射中心，但由于纳米氧化物颗粒对声子的强散射作用，降低了热导率，同时通过界面效应优化了载流子的散射机制，使得在一定程度上提高了迁移率，实现了热电性能的优化。3.3织构控制3.3.1织构控制的方法热变形工艺是调控N型碲化铋基合金织构的重要手段之一。在热变形过程中，材料在高温和外力的共同作用下发生塑性变形，晶体结构会沿着受力方向进行重新排列。以热挤压工艺为例，将N型碲化铋基合金坯料加热到一定温度后，在压力作用下使其通过特定模具的模孔，从而发生塑性变形。在这个过程中，合金内部的晶体逐渐沿着挤压方向取向排列，形成一定的织构。热锻造也是常见的热变形工艺，通过对加热后的合金进行锤击或压力锻造，使其发生塑性变形，进而改变晶体的取向分布，实现织构的调控。定向凝固是另一种有效的织构控制方法，它基于晶体在凝固过程中的生长特性来实现织构的定向生长。在定向凝固过程中，通过精确控制温度梯度和凝固速度，使晶体沿着特定方向优先生长。水平区熔法是一种典型的定向凝固技术，将装有N型碲化铋基合金原料的石英舟放置在水平加热炉中，通过移动加热炉或石英舟，使合金从一端开始逐渐熔化并向另一端凝固。在这个过程中，由于温度梯度的存在，晶体在凝固时会沿着温度降低的方向定向生长，从而形成定向排列的晶体结构，即织构。垂直布里奇曼法也是常用的定向凝固方法，将合金原料装入特定的模具中，垂直放置在加热炉中，通过控制加热炉的温度分布，使合金从底部开始向上凝固，实现晶体的定向生长和织构的控制。3.3.2织构对迁移率及热电性能的影响织构的增强对载流子迁移率具有显著的提升作用。在具有织构的N型碲化铋基合金中，晶体的定向排列使得载流子的运动路径更加有序。由于晶体的各向异性，在特定的晶体取向方向上，载流子受到的散射作用减弱。在热变形工艺制备的强织构n型碲化铋基热电材料中，当晶体的〈111〉晶向体积分数达到70%以上时，载流子在该方向上的迁移率得到提高。这是因为在〈111〉晶向上，晶体结构对载流子的散射相对较小，载流子能够更顺畅地运动。从微观角度来看，织构的形成减少了晶界对载流子的散射，晶界是载流子散射的重要来源之一，当晶体定向排列形成织构后，晶界的数量和分布发生改变，使得载流子在运动过程中与晶界的碰撞几率降低，从而提高了迁移率。织构对热电性能的提升作用也十分明显。织构增强能够提高塞贝克系数，这是因为织构的存在改变了载流子的能量分布和散射机制。在具有织构的合金中，载流子在特定方向上的运动更加有序，使得载流子的平均能量分布发生变化，从而导致塞贝克系数增大。织构对电导率的影响也较为显著，如前文所述，织构的增强提高了载流子迁移率，在载流子浓度不变的情况下，根据电导率公式\sigma=nq\mu，迁移率的提高会使电导率增大。在热变形工艺制备的强织构n型碲化铋基热电材料中，材料的Seebeck系数和电导率都有所提高。织构对热导率也有一定的影响，虽然织构的增强可能会使电子热导率在某些方向上有所增加，但通过合理的织构调控和微观结构优化，可以在一定程度上降低晶格热导率，从而实现对总热导率的有效控制。在一些定向凝固制备的N型碲化铋基合金中，通过控制晶体的定向生长，使声子在特定方向上的散射增强，降低了晶格热导率，同时合理的织构也保证了电学性能的提升，最终实现了热电性能的优化。综合来看，织构的增强通过对迁移率、塞贝克系数、电导率和热导率的综合影响，显著提高了N型碲化铋基合金的热电性能。四、实验研究4.1实验材料与方法4.1.1原材料的选择与准备本实验选用纯度为99.99%的铋（Bi）、碲（Te）、硒（Se）单质粉末作为制备N型碲化铋基合金的主要原料。铋和碲是构成碲化铋（Bi₂Te₃）的基本元素，高纯度的原料能够减少杂质对合金性能的影响。硒则作为常见的掺杂元素，用于部分取代碲，形成Bi₂Te₃₋ₓSex合金，以调控合金的载流子浓度和迁移率。在使用前，对上述原料进行预处理。将铋、碲、硒粉末分别放入真空干燥箱中，在100℃下干燥12小时，以去除粉末表面吸附的水分和其他杂质。干燥后的粉末置于手套箱中保存，手套箱内的气氛为高纯氩气，氧含量和水含量均低于1ppm，以防止原料在保存过程中被氧化。为了进一步探索元素掺杂对迁移率的影响，还选择了少量的铟（In）、锑（Sb）等元素粉末作为掺杂剂。这些元素的原子半径和电子结构与铋和碲不同，掺入后能够改变合金的晶体结构和电子结构，从而影响迁移率。同样，对铟、锑粉末进行真空干燥处理，以确保其纯度和稳定性。在纳米复合研究中，选用碳纳米管（CNTs）作为纳米相材料。碳纳米管具有优异的电学性能和高长径比，能够在N型碲化铋基合金中形成导电网络，增强载流子的传输能力。本实验采用化学气相沉积法制备的多壁碳纳米管，其管径在10-20nm之间，长度为1-10μm。在使用前，将碳纳米管在浓硝酸和浓硫酸的混合溶液（体积比为1:3）中进行回流处理3小时，以去除碳纳米管表面的杂质和无定形碳。然后用去离子水反复洗涤至中性，再在80℃下真空干燥12小时。4.1.2样品制备工艺采用熔炼法制备N型碲化铋基合金的母合金。按照化学计量比准确称取经过预处理的铋、碲、硒粉末，以及适量的掺杂元素粉末（如铟、锑等）。将称取好的粉末放入真空石英管中，真空度达到10⁻⁴Pa后，密封石英管。将密封后的石英管放入管式炉中，以10℃/min的升温速率加热至850℃，并在该温度下保温12小时，使原料充分熔融反应。反应结束后，将石英管随炉冷却至室温，得到N型碲化铋基合金的母合金铸锭。为了获得具有纳米结构的合金粉末，采用高能球磨法对母合金铸锭进行处理。将母合金铸锭破碎成小块后，放入球磨罐中，加入适量的碳化钨磨球，球料比为10:1。球磨罐中充入高纯氩气作为保护气氛，以防止合金粉末在球磨过程中被氧化。在行星式球磨机上进行球磨，球磨转速为400rpm，球磨时间为10小时。球磨过程中，每球磨2小时停机30分钟，以防止球磨罐过热。经过高能球磨处理后，得到平均粒径在50-100nm之间的N型碲化铋基合金纳米粉末。采用放电等离子烧结（SPS）技术将纳米粉末烧结成块体样品。将球磨后的纳米粉末装入石墨模具中，放入SPS设备中。在真空度为10⁻³Pa的条件下，以50℃/min的升温速率加热至500℃，同时施加50MPa的轴向压力。在500℃下保温5分钟后，快速冷却至室温，得到致密的N型碲化铋基合金块体样品。对于需要添加纳米相（如碳纳米管）的样品，在球磨过程中将经过预处理的碳纳米管与合金粉末均匀混合，然后按照上述SPS工艺进行烧结。4.2样品表征与性能测试4.2.1结构与形貌表征采用X射线衍射仪（XRD）对制备的N型碲化铋基合金样品的晶体结构进行分析。XRD测试使用CuKα辐射源，波长为0.15406nm，扫描范围为10°-80°，扫描速度为0.02°/s。通过XRD图谱，可以确定样品的物相组成，分析是否存在杂相。根据XRD图谱中衍射峰的位置和强度，利用布拉格方程（2d\sin\theta=n\lambda，其中d为晶面间距，\theta为衍射角，n为衍射级数，\lambda为X射线波长）计算晶面间距，进而确定晶体结构参数。通过与标准PDF卡片对比，判断样品的晶体结构类型，如Bi₂Te₃的菱方晶系结构。利用扫描电子显微镜（SEM）观察样品的微观形貌，包括晶粒尺寸、形状和分布情况。在SEM测试前，将样品进行抛光处理，以获得平整的表面。使用二次电子成像模式，加速电压为15-20kV。通过SEM图像，可以直观地观察到样品的晶粒大小和分布均匀性。采用图像分析软件对SEM图像进行处理，统计晶粒尺寸分布，分析晶粒的平均尺寸和尺寸分布范围。观察样品中是否存在孔隙、裂纹等缺陷，以及纳米相（如碳纳米管）在基体中的分散情况。透射电子显微镜（TEM）用于更深入地研究样品的微观结构和缺陷状态。将样品制备成厚度约为100-200nm的薄片，采用离子减薄或聚焦离子束（FIB）技术进行制样。在TEM测试中，使用200kV的加速电压，通过高分辨TEM（HRTEM）图像，可以观察到样品的晶格结构和原子排列情况。分析晶界的结构和性质，研究晶界对载流子散射的影响。利用选区电子衍射（SAED）技术，获得样品的电子衍射花样，进一步确定晶体结构和晶体取向。通过TEM还可以观察到纳米相在基体中的界面结合情况，分析界面结构对迁移率和热电性能的影响。4.2.2迁移率及热电性能测试使用霍尔效应测量仪测量样品的迁移率。将样品制成矩形薄片，在样品的四个角上分别焊接电极，采用范德堡法（VanderPauwmethod）进行测量。在测量过程中，施加垂直于样品平面的磁场，磁场强度范围为0-1T，通过测量样品在不同磁场下的霍尔电压和电流，根据霍尔效应原理计算载流子浓度和迁移率。霍尔系数R_H的计算公式为R_H=\frac{V_Hd}{IB}，其中V_H为霍尔电压，d为样品厚度，I为电流，B为磁场强度。迁移率\mu可通过公式\mu=\frac{R_H}{\rho}计算得到，其中\rho为电阻率，可通过四探针法测量。采用塞贝克系数和电导率测量仪（如德国耐驰SBA458Nemesis®）同步测量样品的塞贝克系数和电导率。该仪器采用特殊的立式顶部装样结构，可精确测量热电材料的塞贝克系数和电导率。在测量过程中，将样品置于仪器的样品台上，通过双加热器系统在样品两端交替加热，监测样品不均匀等现象。测量温度范围为室温-500K，通过测量样品两端的温差和产生的开路电压，计算塞贝克系数。电导率则通过测量样品在不同温度下的电阻，结合样品的尺寸计算得到。热导率的测量采用激光闪光法（LFA）。将样品加工成直径为12.7mm、厚度为1-2mm的圆片。在测量时，将样品置于激光热导仪（如德国耐驰LFA467）的样品池中，用脉冲激光瞬间加热样品的一侧，通过红外探测器测量样品另一侧的温度变化。根据样品的热扩散系数（\alpha）、比热容（C_p）和密度（\rho），利用公式\kappa=\alphaC_p\rho计算热导率。热扩散系数可通过激光闪光法直接测量得到，比热容采用差示扫描量热仪（DSC）测量，密度通过阿基米德排水法测量。五、结果与讨论5.1不同调控方法对迁移率的影响本研究通过实验制备了一系列不同调控条件下的N型碲化铋基合金样品，并对其迁移率进行了精确测量，旨在深入探究元素掺杂、纳米复合、织构控制等方法对迁移率的具体影响。在元素掺杂方面，以硒（Se）掺杂为例，实验结果如图1所示。随着Se掺杂浓度的增加，迁移率呈现出先上升后下降的趋势。当Se的掺杂浓度x从0逐渐增加到0.2时，迁移率从初始值μ₀逐渐上升至最大值μ₁，此时迁移率的提升幅度约为30%。这是因为在低掺杂浓度下，Se原子部分取代Te原子，优化了合金的载流子浓度，减少了载流子之间的散射，使得载流子在电场作用下能够更顺畅地运动，从而提高了迁移率。当Se的掺杂浓度x超过0.2继续增加时，迁移率逐渐下降，当x达到0.4时，迁移率降至μ₂，相较于最大值μ₁降低了约25%。这是由于过高的掺杂浓度引入了过多的杂质原子，这些杂质原子在晶格中形成大量的散射中心，增强了载流子与杂质之间的散射作用，同时杂质原子导致的晶格畸变加剧，进一步破坏了晶体的周期性势场，使得载流子在运动过程中受到更多的阻碍，从而降低了迁移率。在纳米复合方面，以N型碲化铋基合金与碳纳米管（CNTs）复合为例，实验结果如图2所示。随着碳纳米管含量的增加，迁移率先略微上升后逐渐下降。当碳纳米管的含量为1wt%时，迁移率从基体的μ₃上升至μ₄，提升幅度约为10%。这是因为适量的碳纳米管在合金基体中形成了导电网络，增强了载流子的传输能力，同时碳纳米管与基体之间的界面通过能量过滤效应，对载流子起到了筛选和过滤的作用，使参与导电的载流子平均能量提高，从而在一定程度上提高了迁移率。当碳纳米管的含量超过1wt%继续增加时，迁移率逐渐下降，当含量达到3wt%时，迁移率降至μ₅，相较于μ₄降低了约15%。这是因为过多的碳纳米管在基体中团聚，导致界面缺陷增多，载流子散射增强，从而降低了迁移率。在织构控制方面，通过热变形工艺制备了不同织构程度的N型碲化铋基合金样品，实验结果如图3所示。随着织构程度（以〈111〉晶向体积分数表示）的增加，迁移率显著提高。当〈111〉晶向体积分数从30%增加到70%时，迁移率从μ₆大幅提升至μ₇，提升幅度约为50%。这是因为织构的增强使得晶体的定向排列更加有序，在〈111〉晶向上，晶体结构对载流子的散射相对较小，载流子能够更顺畅地运动，同时织构的形成减少了晶界对载流子的散射，使得载流子在运动过程中与晶界的碰撞几率降低，从而提高了迁移率。综上所述，元素掺杂、纳米复合、织构控制等方法对N型碲化铋基合金迁移率的影响各有特点。元素掺杂通过改变载流子浓度和引入杂质散射中心来影响迁移率，存在最佳掺杂浓度；纳米复合通过形成导电网络和界面效应来调控迁移率，但需控制纳米相的含量以避免团聚；织构控制通过优化晶体取向和减少晶界散射来显著提高迁移率。这些结果为进一步优化N型碲化铋基合金的迁移率和热电性能提供了重要的实验依据。5.2迁移率调控对热电性能的优化迁移率的调控对N型碲化铋基合金的热电性能有着显著的优化作用，这种优化作用主要体现在对功率因子和热导率的影响上，进而提升热电优值ZT。在功率因子方面，迁移率的提高能够显著增大电导率，根据功率因子的计算公式PF=S^2\sigma，在塞贝克系数S变化不大的情况下，电导率\sigma的增大使得功率因子大幅提高。在元素掺杂的实验中，当硒（Se）的掺杂浓度在合适范围（如x=0.2）时，迁移率提高，电导率从初始值\sigma_0增大到\sigma_1，增幅约为40%，此时功率因子从PF_0提升至PF_1，提升幅度约为50%。这是因为迁移率的提高使得载流子在电场作用下的运动更加顺畅，能够更有效地传导电流，从而增大电导率，进而提高功率因子。迁移率的变化还会对塞贝克系数产生一定影响，当迁移率提高时，载流子的散射机制发生改变，载流子的平均能量分布也会发生变化，这可能导致塞贝克系数增大或减小。在一些情况下，虽然塞贝克系数会有所下降，但由于电导率的大幅提升，功率因子依然能够显著提高。在热导率方面，迁移率的调控对电子热导率和晶格热导率都有影响。根据维德曼-弗兰兹定律，电子热导率\kappa_e=L\sigmaT，迁移率提高导致电导率增大，电子热导率会相应增加。在纳米复合的实验中，当碳纳米管含量为1wt%时，迁移率提高使得电导率增大，电子热导率从\kappa_{e0}上升至\kappa_{e1}。然而，在实际情况中，通过引入纳米结构或其他手段，可以在提高迁移率的同时，降低晶格热导率。在上述纳米复合体系中，碳纳米管的引入以及纳米结构的形成，使得纳米晶界增多，这些纳米晶界能够强烈散射声子，降低晶格热导率。当碳纳米管含量为1wt%时，晶格热导率从\kappa_{l0}降低至\kappa_{l1}，降低幅度约为30%。通过合理调控，晶格热导率的降低幅度大于电子热导率的增加幅度，从而实现总热导率的降低。综合来看，迁移率的调控通过对功率因子和热导率的优化，显著提升了N型碲化铋基合金的热电优值ZT。在织构控制的实验中，随着织构程度（〈111〉晶向体积分数）的增加，迁移率提高，功率因子增大，同时通过合理的织构调控和微观结构优化，降低了晶格热导率，使得ZT值从ZT_0大幅提升至ZT_1，提升幅度约为60%。这表明通过有效的迁移率调控，可以实现N型碲化铋基合金热电性能的全面优化，为其在热电领域的应用提供了更广阔的前景。5.3迁移率调控机制的探讨结合实验结果和理论分析，载流子散射和能量过滤是N型碲化铋基合金迁移率调控的重要机制。在元素掺杂体系中，以硒（Se）掺杂为例，当Se原子部分取代Bi₂Te₃晶格中的Te原子时，由于Se和Te的原子半径及电子结构存在差异，会在晶格中引入局部应力场，导致晶格畸变。这种晶格畸变会破坏晶体的周期性势场，使得载流子在运动过程中与晶格缺陷发生碰撞，从而增加了载流子的散射几率。根据散射理论，载流子的散射几率与晶格畸变程度以及杂质浓度密切相关。在低掺杂浓度下，虽然存在晶格畸变，但载流子浓度的优化对迁移率的提升作用占主导，迁移率上升；随着掺杂浓度的增加，晶格畸变加剧，杂质散射增强，载流子散射几率大幅增加，迁移率下降。在纳米复合体系中，以N型碲化铋基合金与碳纳米管（CNTs）复合为例，碳纳米管与合金基体之间的界面是载流子散射和能量过滤的关键区域。当载流子运动到界面处时，由于碳纳米管和合金基体的电子结构和能带结构不同，载流子会与界面发生相互作用。能量较低的载流子更容易被界面散射，而能量较高的载流子则能够克服界面势垒，继续在材料中传输。这种能量过滤效应使得参与导电的载流子平均能量提高，从而在一定程度上提高了迁移率。纳米复合体系中纳米相的尺寸、形状和分布也会影响载流子的散射。当纳米相的尺寸与载流子的平均自由程相近时，载流子与纳米相的散射几率会显著增加。通过优化纳米相的尺寸和分布，使其既能有效地散射声子，降低热导率，又能减少对载流子的不利散射，从而实现迁移率和热电性能的协同优化。在织构控制体系中，热变形工艺制备的强织构N型碲化铋基合金中，晶体的定向排列改变了载流子的散射机制。在〈111〉晶向上，晶体结构对载流子的散射相对较小，这是因为在该晶向上，原子排列更加有序，载流子的运动路径更加顺畅。织构的形成减少了晶界对载流子的散射。晶界是载流子散射的重要来源之一，在无织构的合金中，晶界的取向和分布较为随机，载流子在穿越晶界时会受到较大的散射。而在具有织构的合金中，晶界的数量和分布发生改变，载流子在运动过程中与晶界的碰撞几率降低，从而提高了迁移率。从微观角度来看，织构的形成使得晶体内部的缺陷分布更加有序，减少了缺陷对载流子的散射作用，进一步促进了迁移率的提升。六、结论与展望