鈮摻雜二氧化鈦的熱電性能研究.pdf

1、隨著人類社會(huì)的發(fā)展，煤、石油、天然氣等不可再生能源逐漸枯竭，這些能源的使用導(dǎo)致了全球變暖，進(jìn)而導(dǎo)致沙漠化區(qū)域逐漸增大以及海平面的上升，這使得新能源的探索和開發(fā)工作變得越來(lái)越重要，而要真正地使用新能源則必須借助于新能源材料。熱電材料屬于一種新能源材料，它可以直接將廢熱轉(zhuǎn)化為電能而不會(huì)造成環(huán)境污染，是一種綠色可持續(xù)能源材料。熱電轉(zhuǎn)換作為傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)的有效補(bǔ)充，得到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。
　　熱電材料目前面臨的最大挑戰(zhàn)是其能量轉(zhuǎn)換效率在很

2、大程度上尚未達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的需要。為了使熱電材料得到更加廣泛的應(yīng)用，科研工作者嘗試通過(guò)摻雜等方式來(lái)提高材料的熱電性能。
　　本論文選取氧化物半導(dǎo)體熱電材料TiO2作為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行Nb元素?fù)诫s，并進(jìn)行了不同還原條件的熱處理，然后研究了Nb元素?fù)诫s和不同的還原條件處理對(duì)系列樣品的熱電性能的影響。
　　本文的具體工作如下:
　　1、使用傳統(tǒng)的固相反應(yīng)法，通過(guò)在1473K，H2/Ar混合氣氛中進(jìn)行還原處理，制備了不同Nb含

3、量的Ti1-xNbxO2-δ系列陶瓷樣品。XRD圖譜顯示，x=0.0，0.005，0.01樣品表現(xiàn)為混合的三斜相TinO2n-1結(jié)構(gòu)（8≤n≤10），而x=0.04，0.08樣品表現(xiàn)為單一的金紅石型TiO2結(jié)構(gòu)，這表明較高的Nb摻入量可以穩(wěn)定TiO2的金紅石結(jié)構(gòu)。在最高測(cè)試溫度380K，x=0.01樣品給出該系列樣品的最大ZT值0.023，這一數(shù)值大約是x=0.0未摻雜樣品ZT值(0.009)的2.6倍。在室溫到380K范圍，該系列樣品

4、的輸運(yùn)行為滿足小極化子導(dǎo)電機(jī)制。
　　2、使用固相反應(yīng)法在高溫(1573K)還原性氣氛(H2)中制備了不同Nb摻雜量的Ti1-xNbxO2-δ系列陶瓷樣品。粉末XRD結(jié)果顯示:x=0.0，0.01，0.02和0.04樣品表現(xiàn)為混合的三斜相TinO2n-1結(jié)構(gòu)（4≤n≤6），在x=0.08，0.20樣品中出現(xiàn)了四方相金紅石型TiO2的衍射峰，而x=0.40，0.60樣品表現(xiàn)為單一的金紅石型結(jié)構(gòu)，這表明較高濃度的Nb摻雜，可以使TiO

5、2的金紅石型結(jié)構(gòu)穩(wěn)定存在。在100-380K的溫度范圍，測(cè)試了該系列樣品的熱電性能。測(cè)試結(jié)果表明，樣品的電阻率和塞貝克系數(shù)隨溫度的變化都表現(xiàn)為半導(dǎo)體行為。通過(guò)分析證明了樣品在室溫到380K溫區(qū)的輸運(yùn)行為滿足小極化子導(dǎo)電機(jī)制。在最高測(cè)試溫度380K，x=0.20樣品給出該系列樣品的最大ZT值0.016。
　　3、使用PLD方法在襯底溫度為550℃，激光能量密度為5J/cm2，沉積頻率為2Hz，氧壓為1.0×10-2pa的條件下，在(

6、0001)取向的單晶Al2O3襯底上外延生長(zhǎng)了119nm厚度的TiO2薄膜。由XRD圖譜可看出，制備的薄膜為(l00)取向的金紅石型TiO2薄膜，(200)和(400)晶面衍射峰分別出現(xiàn)在39.13°和84.25°。在室溫下，測(cè)量了金紅石TiO2薄膜的電阻率和塞貝克系數(shù)，四探針?lè)y(cè)試結(jié)果給出該薄膜的室溫電阻率為130mΩ· cm，其塞貝克系數(shù)為-55μV/K，計(jì)算得到金紅石TiO2薄膜樣品室溫時(shí)的功率因子為0.0023mW/(m·K2)