Mg2Ge0.25Sn0.73Bi0.02热电器件阻挡层材料的研究.pdf

Mg Ge Sn Bi 热电器件阻挡层材料的研究 2 0.25 0.73 0.02 摘 要 热电材料是一种能实现热能和电能相互转换的新能源材料，由热电材料制备的热电 发生器 （TEG ）可用于温差发电和热电制冷，而热电材料与电极的连接界面是热电器件 的重要部分，直接影响到器件的可靠性和寿命。 本文先使用高频熔炼和SPS 烧结的工艺制备了Mg Ge Sn Bi 合金并测试了它 2 0.25 0.75-x x 们的物相及热电性能，选择性能最优的样品采用两步烧结法分别和 Ni 、Cu、Ti、Co、 Al 五种阻挡层材料进行连接，并进行时效性研究，研究了界面微观形貌和扩散反应行为。 主要研究如下 ： （1）Ni 与热电基底材料发生严重的扩散反应，形成60 μm 厚的扩散反应层，并在 300℃退火后不断增加，不适合作为MgGeSn 基热电材料的阻挡层材料。 （2 ）Cu 与热电基底材料发生扩散反应，并且随着退火时间的延长扩散层厚度不断 增加，在界面处形成柯肯达尔空洞，破坏界面。 （3 ）Ti 作为阻挡层时，不与热电基底材料发生严重的扩散反应，但是会因为热膨 胀系数差别过大导致界面结合强度不够，在300℃退火时发生脱落，因此Ti 也不适合作 为MgGeSn 基热电器件的阻挡层材料。 （4 ）Co 作为阻挡层与热电基底材料连接良好，扩散反应层厚度随退火时间延长缓 2 慢增大，热稳定性较好。其与热电基底材料之间的接触电阻率为 0.22 μΩ·cm ，经过 2 300-400 ℃退火后，接触电阻率随退火时间增加而不断增大，最大达到1.55 μΩ·cm ，界 面的结合强度随退火温度增加而降低，由44.5 MPa 降至33 MPa，以上指标仍能满足热 电器件实际使用需要，因此Co 可以作为MgGeSn 基热电器件的阻挡层材料。 （5 ）Al 作为阻挡层与热电基底材料连接后扩散厚度约为3 μm ，并随退火时间和温 度的增加而缓慢增大，说明界面热稳定性较好。经过 300-400 ℃不同时长的退火后，接 2 2 触电阻率由8.54 μΩ·cm 最大增加到14.92 μΩ·cm ，界面结合强度浮动范围为15.7 - 21 MPa，因此Al 可以作为MgGeSn 基热电材料的阻挡层材料。 通过对各阻挡层的界面结构、电学性能和力学性能的分析，表明Co、Al 作为阻挡 层与基底材料连接后既能实现良好连接，又不会形成严重的扩散反应破坏热电材料，且 I Mg Ge Sn Bi 热电器件阻挡层材料的研究 2 0.25 0.73 0.02 相对于热电基底材料而言，接触电阻较小，对器件性能不会产生明显影响，是较为理想 的 MgGeSn 基热电器件的阻挡层材料。 关键词：热电器件，阻挡层，热稳定性，接触电阻，结合强度 II Study on the barrier material of Mg Ge Sn Bi thermoelectric device 2 0.25 0.73 0.02 Abstract The thermoelectric