中文摘要：

I型Ge基clathrate化合物是典型具有"电子晶体一声子玻璃"特性的高性能热电材料。本项目拟采用czochralski法制备Ba8Ga16Ge30和Sr8Ga16Ge30晶体，研究晶体质量、化学组成和缺陷等对材料的热电性能的影响规律。基于第一性原理的理论计算，对Ⅰ型Ge基clathrate晶体结构中的填充原子或框架原子掺杂种类和极限进行预测。制备双原子填充或框架少量掺杂的clathrate晶体，探明获得高质量I型Ge基clathrate晶体的制备工艺，解析填充原子组合及框架原子掺杂的晶体其结构和化学组分的变化对载流子浓度、电导率、Seebeck系数及热导率等的影响，探索改善Ⅰ型Ge基clathrate材料中电- - 热输运协同调控的有效途径。本项目研究对丰富I型clathrate化合物的结构设计，研发具有新型高性能热电材料具有重要意义。

结论摘要：

以Ba8Ga16Ge30和Sr8Ga16Ge30为代表的Ⅰ型锗基笼状化合物具有声子玻璃－电子晶体( PGEC) 的热电传输特性，是一种在中高温温度段具有潜在应用前景的热电材料。该化合物属于立方晶系，单位元胞中包含由Ga和Ge原子构成的六个十四面体和两个十二面体，多面体之间通过共面连接，内部可以填充碱土金属Ba或Sr等，填充原子所受束缚小可在笼中大幅扰动，来强烈的散射Ga/Ge框架上的声子，降低了晶格热导率，使Ba8Ga16Ge30和Sr8Ga16Ge30具有较好的热电性能，因而可得到较高的ZT 值。本项目开展了Ba8Ga16Ge30晶体的czochralski法晶体生长，研究晶体提拉和旋转速度对晶体热电性能影响。用Bridgman法生长Ba8GaxGe46-x（x=14、16-18）和Sr8-xYbxGa16Ge30 (x=0、1)晶体，前者Ba8GaxGe46-x（x=14、16-18）晶体，通过EPMA测试研究Ba8GaxGe46-x晶体中Ga/Ge比的变化，通过电阻率、塞贝克系数、载流子浓度和迁移率及能带的变化重点研究Ba8GaxGe46-x（x=14、16-18）晶体的电输运性能，通过热导率的测试，分析了晶格热导和电子热导在晶体热传导过程中的作用，得到Ba8Ga14Ge32晶体的最大ZT值0.82@1000K。后者对于Sr8Ga16Ge30 晶体，研究了晶体的头尾及退火对晶体电和热传输性能的影响，用Bridgman法生长的晶体组分均匀，头部和尾部电性能和热性能基本没有变化，退火仅仅微小的降低了晶格热导，在800K时，ZT可达0.62。用Bridgman法生长Sr7YbGa16Ge30晶体由于在生长过程中有少量的Ge的第二相，影响了其塞贝克系数和热导率，对双原子填充Sr8-xYbxGa16Ge30晶体还需要进一步的组分优化。用Bridgman法可制备性能稳定且具有实用化前景的Ⅰ型Ge基clathrate热电材料。