Ag掺杂La2CuO4和Nb掺杂SrTiO3热电性能的研究

摘要

能源是人类最基本的物质来源，随着人类活动以及科技革命的不断进行，一些传统的不可再生能源面临着日益枯竭的问题，导致新能源的开发迫在眉睫，然而，新能源的开发与利用需要借助能源材料来实现。所以，热电材料成了材料科学研究热点。热电器件能将各种废热例如来自发电厂、工厂、电脑甚至人类的身体，转化为电能[1]。其主要应用有温差发电和热电制冷，温差发电是利用塞贝克效应，直接将热能转化为电能。热电制冷则是利用帕尔贴效应制造热电制冷机，它具有尺寸小、质量轻、无任何机械转动部分、工作无噪声、无制冷液体等优点，因而不存在污染环境问题。热电制冷已用于很多领域，成为了21世纪绿色环保热电材料研究的亮点。
　　然而，热电材料面对的最大挑战是能量转换效率还不是很高。为实现热电材料的大规模应用，科研工作者通常使用掺杂等一些手段努力提高已有材料的性能。目前一些掺杂技术都很复杂，或是对仪器设备条件要求苛刻，几乎不能大规模生产。而离子束注入已经成功应用于氧化物薄膜材料的掺杂过程中，可以利用来进行热电材料的掺杂改进。
　　热电材料性能的高低在很大水平上依赖于载流子浓度。只有进行适量掺杂，使载流子浓度达到最佳值，才能获得较好的热电性能。论文中尝试对p型氧化物热电材料La2CuO4掺杂Ag，研究其对材料电、热输运性能的影响;另外，对n型热电材料SrTiO3进行了离子束注入Nb元素的热电性能研究。
　　本文包括如下几方面的工作:
　　1、用传统的固相烧结法合成了系列Ag掺杂La2CuO4多晶陶瓷样品，并研究了其热电性能。使用PPMS的TTO模块测量了该系列样品的电阻率、塞贝克系数和热导率随温度的变化，计算了材料的ZT（ZT=S2T/ρκ）值。测试发现，该系列样品的电阻率和塞贝克系数随着Ag含量的增加而降低，而热导率随着Ag含量的增加先降低后升高。该系列样品的ZT最大值出现在300K左右，并随Ag含量的增加向低温移动。在308 K时，5％摩尔含量Ag掺杂La2CuO4样品表现出所有样品中的最大ZT值0.018，是纯La2CuO4样品的2倍。
　　2、将SrCO3(99.95％)、TiO2(99.99％)和Nb2O5(99.99％)按化学计量比称量，使用传统的固相反应法制得掺Nb的SrTiO3粉体，Nb元素的掺杂量分别为1％、2％、5％、10％、20％。使用XRD对该系列样品进行了物相分析，确定粉体为纯净的单相化合物，在15-380K的温度范围内，使用PPMS测量了系列块材样品的电阻率、塞贝克系数和热导率，结果表明，掺杂量为2％的块材样品具有该系列样品的最大ZT值，在380 K时ZT值达到0.033。
　　3、使用PLD在(001) LaAlO3单晶衬底上外延生长了c轴取向的SrTiO3薄膜，在5 Pa氧气气氛下生长该系列薄膜样品，采用离子束注入技术将Nb元素注入到SrTiO3薄膜的晶格中，利用PPMS在50-380 K的温度范围内，测量了该系列薄膜样品的电阻率和塞贝克系数，并计算了样品的功率因子。结果表明，在室温以及最高测量温度380 K范围内，STO-Nb100具有该系列样品最高的功率因子，分别是0.34 mW/m·K2和0.44mW/m·K2，是未注入Nb元素SrTiO3薄膜样品的10倍左右。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 热电材料La2CuO4和SrTiO3的研究现状

1．2．1 热电材料La2CuO4愀现状

1．2．2 热电材料SrTiO3的研究现状

1．3 本论文的研究目的及意义

2 实验仪器及性能参数

3 Ag掺杂La2CuO4块材的电、热输运性能

3．1 La2AgxCuO4块材的制备及表征

3．1．1 La2AgxCuO4块材的制备

3．1．2 La2AgxCuO4块材的物相分析

3．2 La2AgxCuO4块材结构分析

3．3 La2AgxCuO4块材的电、热输运性能

3．3．1 电阻率

3．3．2 塞贝克系数

3．3．3 热导率

3．3．4 ZT值

3．4 小结

4 SrTi1-xNbxO3块材的制备及其热电性能

4．1 SrTi1-xNbxO3块材的制备及物相分析

4．1．1 SrTi1-xNbxO3块材的制备

4．1．2 SrTi1-xNbxO3块材的物相分析

4．2 SrTi1-xNbxO3粉体的红外数据处理与分析

4．3 SrTi1-xNbxO3块材的热电性能

4．3．1 电阻率

4．3．2 塞贝克系数

4．3．3 热导率

4．3．4 功率因子和ZT值

4．4 小结

5 SrTiO3薄膜的制备及表征

5．1 SrTiO3靶材的制备及物相分析

5．2 SrTiO3薄膜的制备及表征

5．3 Nb元素注入掺杂对SrTiO3薄膜热电性能的影响

5．3．1 电阻率

5．3．2 塞贝克系数

5．3．3 功率因子

5．4 小结

6 结论

参考文献

致谢

攻读学位期间取得的科研成果清单