热电氧化物钛酸锶的热传导研究

摘要

缺陷是影响晶体热导过程的重要物理机制。论文首先对热电材料的研究背景和现状进行了简要的介绍。为了研究氧缺陷对钛酸锶热传导过程的影响，利用高温高真空条件下对钛酸锶进行退火。先用高温型差示扫描量热仪测出单晶钛酸锶退火前后钛酸锶的比热，结合德拜模型比较比热随温度出现变化的原因。接着利用激光导热仪测出它们的热扩散系数，计算出它们的热导率，比较退火前后它们之间的差异。之后引入Callaway模型对这一实验结果进行拟合。最后利用X射线氧吸收谱对钛酸锶做了进一步的研究。研究结果显示，钛酸锶的比热整体随着温度的上升而变化，在温度较低时，比热快速增加，当温度接近钛酸锶的德拜温度时，比热增加速度变缓，在高温附近时，比热趋于不变，实验测量的结果符合德拜模型比热。钛酸锶退火后的比热与退火前相比，比热减小了，这是缘于钛酸锶在高温真空条件下退火后产生了氧缺陷。比热实验测量结果符合杜隆-柏替定律。钛酸锶的热导率随着温度升高逐渐降低。钛酸锶晶体导热过程中主要依靠声子来导热。温度升高时，声子振动能量加大，声子间的碰撞增多，声子间碰撞几率增大使得声子的平均自由程减小，热导率也就愈低。退火后，钛酸锶的热导大幅降低，这是由于钛酸锶退火后产生了氧缺陷，氧缺陷的存在对声子进行散射，有效的降低了声子的平均自由程，从而减小钛酸锶的热导。用不同温度对钛酸锶进行退火，退火温度越高，钛酸锶的热导率越低，用Callaway模型对这一实验结果进行拟合，得出原因是退火温度越高时晶体内会产生更多的氧缺陷，更有效的对声子进行散射，进而大幅降低热导。钛酸锶样品退火前后的X射线氧K边吸收谱表明钛酸锶在退火后确实产生了大量氧缺陷。进一步通过钛酸锶X射线Ti边吸收谱得出退火温度较高时，钛酸锶会产生更多的氧缺陷。这些结果对了解晶体热传导过程有所帮助，以利于下一步提高热电材料效率的研究。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 热电材料研究历史

1．3 热电理论

1．3．1 塞贝克效应

1．3．2 珀耳帖效应

1．3．3 汤姆逊效应

1．3．4 热电优值

1．4 热电材料研究进展

1．4．1 传统热电材料

1．4．2 新型热电材料

1．4．3 氧化物热电材料

1．4．4 SrTiO3热电材料

1．5 本文研究内容及意义

参考文献

第二章 比热容的实验测量及理论模型

2．1 热容的基本概念

2．2 晶体热容定律

2．3 DSC基本原理

2．4 比热模型

2．4．1 量子理论

2．4．2 爱因斯坦模型近似

2．4．3 德拜模型下热容

2．5 比热实验结果与讨论

2．5．1 钛酸锶比热试验结果

2．5．2 不同退火温度对比热的影响

2．6 本章小结

参考文献

第三章 热传导实验和基本模型

3．1 材料热导

3．1．1 热传导

3．1．2 热扩散率

3．1．3 热导率

3．2 LFA基本原理

3．3 声子

3．3．1 三声子散射

3．3．2 缺陷散射

3．3．3 声子平均自由程

3．4 热导模型

3．4．1 气动理论下的热导率表达式

3．4．2 德拜模型热导

3．4．3 Callaway模型

3．5 实验结果和理论拟合

3．5．1 热导实验结果

3．5．2 德拜模型热导理论与实验对比

3．5．3 Callaway模型拟合

3．6 本章小结

参考文献

第四章 X射线吸收精细结构谱(XAFS)

4．1 同步辐射

4．2 发展历史

4．3 同步辐射的特性及应用

4．4 X射线吸收精细结构

4．5 数据处理过程

4．6 X射线吸收谱实验结果

4．7 本章小结

参考文献

第五章 总结和展望

附录

硕士期间发表的论文

致谢