富铜型Cu1+δCrO2的制备及热电输运性能研究

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宽带隙(3.2 eV)的铜铁矿结构CuCrO2是一种p型透明导电氧化物(TCOs),由密排[Cu+]层和[CrO6]共棱八面体层沿c轴交替堆垛而成,能自发形成Cu空位提供空穴载流子,主要导电通道为[Cu+]层,晶体沿ab面和c轴方向具有大的输运各向异性。但由于该类氧化物中氧离子2p轨道的强烈局域化作用,致使其电导率(1 S·cm-1)与n型透明导电材料(如:ITO104 S·cm-1)相比仍有很大差距,限制了其器件的应用。课题组前期的探索发现,富铜对CuCrO2输运性质有显著的调制作用,基于此,本论文进行了Cu、Cr化学计量比偏离1:1的富铜型Cu1+δCrO2(0≤δ≤0.25)多晶、薄膜的制备表征、热电输运性质研究和缺陷态机制讨论;同时对比研究了Mg掺杂CuCrO2多晶的饱和固溶度和热电输运,以期进一步改善材料的输运性能和各向异性。以热分析结果为指导,采用固相反应法以1100℃/12 h+1100℃/12 h二次烧结制备Cu1+δCrO2(δ=0,0.01,0.02,0.03,0.04,0.05,0.06,0.08,0.10,0.25)10个组分系列多晶。基准组分样品(δ=0)的XPS结果显示,Cu为+1价,Cr为+3价。δ=00.05时多晶为铜铁矿单相结构,δ≥0.06开始出现CuO第二相,晶粒在ab面显著长大且致密,层状结构明显,c轴择优取向增强。多晶样品(δ=00.25)在180300 K符合阿伦尼乌斯(Arrhenius)热激活模式的半导体电输运行为,热激活能从δ=0时的0.474 eV显著下降到δ=0.25时的0.221 eV,室温电阻率由δ=0时的4.64×105Ω·cm显著下降为δ=0.25时的70Ω·cm,下降近4个数量级,400 K下Seebeck系数从1142.68μV·K-1减小到759.13μV·K-1,主要由于富铜带来的Cu(Cr)反位原子引入了受主缺陷能级,显著提高了空穴载流子浓度;另外,晶界和孔隙减少,载流子迁移率提高,加上c轴择优取向使面内的输运分量增加,也降低了电阻率。用脉冲激光沉积(PLD)在平直Al2O3(0001)单晶衬底上生长Cu1+δCrO2(δ=0,0.05,0.10,0.25)c轴外延薄膜,生长工艺为:淀积730℃/O2:1 Pa/12 min,退火730℃/O2:2000 Pa/20min。薄膜均为单相铜铁矿结构,呈岛状生长模式。XPS结果显示,Cu/Cr相对含量T(Cu/Cr)随组分变化趋势与名义值N(Cu/Cr)一致,但偏小,如N(Cu/Cr)=1的薄膜T(Cu/Cr)=0.8103,主要由于表面清污阶段Ar+对Cu的优先刻蚀。Cu 2p3/2与Cr 2p3/2的谱峰分别位于932.5±0.2 eV和576.5±0.2 eV,表明Cu和Cr分别为+1价和+3价。富铜型Cu1+δCrO2薄膜的室温电阻率均低于δ=0组分薄膜样品的62.6Ω·cm,δ=0.10时最低为13.1Ω·cm。采用固相反应法制备了c轴择优的CuCr1-x-x MgxO2(0≤x≤0.08)系列多晶,随Mg掺杂量在x=00.03范围内增加,多晶为铜铁矿单相结构,层状晶粒在ab面显著长大,(00l)织构因子最大达0.53,晶界和孔隙显著减少,致密度依次提高。多晶呈热激活机制的半导体电输运行为,热激活能从0.273 eV依次下降到0.031 eV,室温电导率相应提高了34个量级,最大达12.24 S·cm-1,高温下Seebeck系数从481.2μV·K-1减小到334.7μV·K-1。由于声子曳引的贡献,掺Mg样品随温度升高,Seebeck系数增大。x>0.03后,其热电输运性质基本保持不变,微观结构变化不大,在晶界处观察到MgCr2O4八面体尖晶石第二相,分析认为Mg掺杂的最大固溶度0.03。随Mg2+替代Cr3+位增加,在靠近价带顶的上方引入受主能级并展宽,使电输运的热激活能显著下降,空穴载流子浓度增大,以及c轴择优取向使面内的输运分量增加是电导率提高的主要原因,而载流子迁移率浮动的影响是次要的。
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