层状钴基亚氧化物的制备及其热电性质研究

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出于对废热利用和绿色能源的追求,环境友好型且能实现热能与电能之间转换的热电材料已经引起了人们极大的研究兴趣。层状钴基氧化物热电材料具备大的热电势和电导率,较低的热导率,高温下好的化学稳定性等优点,是一种具有应用前景的热电材料。本文选取层状钴基氧化物Ca-Co-O和Bi-Sr-Co-O体系,在其氧位进行F、Cl元素替代,制备了这两个体系的系列亚氧化物多晶材料,并对其结构,磁性,电输运和热输运等性质进行了系统的研究。   采用固相反应法制备了Cl掺杂的Ca3Co4O9-xClx(x=0,0.225,0.45,0.675,0.9)多晶样品。在结构方面,与未掺杂的母体Ca3Co4O9相比,Cl元素掺杂后,样品的晶粒取向性增加,晶粒变大,更均匀,且样品更加致密,空隙有所减少。Cl部分取代氧后会抑制体系中的亚铁磁态。Cl含量x=0.45,0.675和0.9样品的dx-1(T)/dT~T曲线在27K左右出现明显的肩峰,肩峰出现的位置TSDW随着Cl掺杂量的增加而向低温移动,这表明Cl掺杂后,样品的SDW态被抑制了。随着掺杂量的增加,样品的电阻率逐渐减小,这主要是由载流子的迁移率决定的。所有样品在电阻率曲线上都存在金属-绝缘体转变,转变温度TMI随着Cl含量的增加而逐渐降低,这也同样说明了Cl元素的引入抑制了体系中的SDW态。当样品处于SDW态时,其电输运机制都符合热激活模型,拟合参数激活能E0随着Cl掺杂量的增加而减小,同样表明Cl掺杂对SDW的形成起抑制作用。样品的功率因子P和热电优值ZT随Cl掺杂量的增加而增大,其中x=0.9样品在300K的功率因子P达到了177.1μWm-1K-2,大约是未掺杂样品Ca3Co4O9的1.6倍,其ZT值大约是未掺杂样品Ca3Co4O9的1.3倍。   采用有机物聚四氟乙烯(PTFE)为氟源,通过还原氟化法这种新的制备氟氧化物的方法合成了系列Ca3Co4O9-xFx(x=0,0.05,0.1,0.15,0.2,0.3)多晶材料,并且系统地研究了F掺杂对Ca3Co4O9体系的磁性,电输运以及热输运性质的影响。研究表明,F取代O使样品的亚铁磁态得到了抑制。随着掺F量的增加,体系的电阻率也逐渐增加,这可以理解为F替代O后,体系的空穴载流子浓度降低,从而导致了电阻率的增加。所有样品的金属-绝缘体转变温度TMI随着F掺杂量的增加而增加,表明F掺杂有助于自旋密度波SDW的形成,载流子的局域化程度增加。随F掺杂量的增加,样品的电输运机制发生从热激活模型到莫特二维可变程跳跃(2D-VRH)模型的变化。其中,x=0.15样品处于两种模型变化的临界点。F掺杂后,样品的Seebeck系数并没有多大变化,这是由于电子的关联性变化和载流子浓度变化的共同作用造成的。由于F掺杂后电阻率明显增加,Seebeck系数没有多大变化,因此F在Ca3Co4O9体系材料中的掺杂不利于材料热电性能的改善。   选取Bi-Sr-Co-O体系,采用有机物聚四氟乙烯(PTFE)为氟源,通过还原氟化法制备一系列Bi2Sr2Co2Oy-xFx(x=0.05,0.1,0.15,0.2)多晶材料,并系统地研究了F掺杂对Bi2Sr2Co2Oy体系的热电性能的影响。体系的电阻率随着掺F量的增加逐渐增加,这是因为F替代O后,体系的载流子浓度降低了。F掺杂量x=0,0.05,0.1以及0.15样品的电阻率曲线在所测温区范围内都存在金属-绝缘体转变,且转变温度TMI随着F掺杂量的增加而不断增大。当掺杂量达到x=0.2时,样品的电阻率,温度曲线在所测温度范围内完全表现为半导体行为。F的掺入,体系的Seebeck系数增加,热导率降低,有利于提高体系的热电性能,其中F掺杂量x=0.15样品在300K的ZT值大约是未掺杂样品的1.2倍。
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