Ca3Co4O9和SrTiO3薄膜熱電性能的離子注入改性研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展，日益嚴(yán)峻的能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題迫使人們開(kāi)發(fā)新的能量轉(zhuǎn)換技術(shù)來(lái)解決這一問(wèn)題。熱電材料可以直接將熱能轉(zhuǎn)化為電能而不會(huì)引起任何環(huán)境問(wèn)題。雖然從目前的研究結(jié)果來(lái)看，熱電能源轉(zhuǎn)換技術(shù)不太可能完全替代傳統(tǒng)的發(fā)電技術(shù)，但是該技術(shù)可以成為傳統(tǒng)能源生產(chǎn)技術(shù)的有效補(bǔ)充，特別是熱電器件能夠直接將廢熱轉(zhuǎn)化為電能，可以實(shí)現(xiàn)廢熱的回收利用，從而有效地提高能源的利用率。
　　熱電材料現(xiàn)在面臨的最大挑戰(zhàn)是能量轉(zhuǎn)換效率還不夠高。摻雜是一種有效提高

2、材料熱電性能的重要方法，然而，目前氧化物薄膜熱電材料的摻雜工藝或是非常復(fù)雜，或是對(duì)設(shè)備條件要求很高，很難大規(guī)模生產(chǎn)。離子束注入技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于現(xiàn)代的半導(dǎo)體器件生產(chǎn)領(lǐng)域，如果能夠?qū)㈦x子束注入技術(shù)應(yīng)用到氧化物薄膜材料的摻雜工藝，可以大大地簡(jiǎn)化摻雜氧化物薄膜熱電材料的制備過(guò)程，并且容易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。因此，為了找到一種既簡(jiǎn)單方便又容易工業(yè)化的摻雜氧化物薄膜熱電材料制備方法，我們對(duì)兩種典型的氧化物薄膜熱電材料（p型Ca3Co4O9和n型

3、SrTiO3）進(jìn)行離子束注入改性的研究。
　　本文的具體工作內(nèi)容如下:
　　1、使用激光脈沖沉積(PLD)在(0001)Al2O3單晶襯底上外延生長(zhǎng)了c軸取向的Ca3Co4O9熱電薄膜。運(yùn)用離子束注入技術(shù)將Nb注入摻雜到了Ca3Co4O9熱電薄膜。在175-380K的溫度范圍內(nèi)，測(cè)量了系列薄膜樣品的電阻率和塞貝克系數(shù)，結(jié)果表明Nb的注入摻雜可以有效地改變薄膜樣品的功率因子。當(dāng)注入劑量為3.65×1019/cm3時(shí)，薄膜樣品的

4、功率因子在室溫下為0.10mW·m-1·K-2，而在測(cè)試的最高溫度380K達(dá)到最大值0.17mW·m-1·K-2。
　　2、通過(guò)對(duì)Nb注入后的Ca3Co4O9薄膜在純凈的N2中進(jìn)行熱處理，在Ca3Co4O9熱電薄膜中生成了NbNx納米粒子。使用PPMS測(cè)量了樣品的電導(dǎo)率和塞貝克系數(shù)，結(jié)果表明適量的Nb注入可以使Ca3Co4O9薄膜的功率因子升高。當(dāng)注入劑量為1.46×1020/cm3時(shí)，樣品的功率因子在室溫可達(dá)0.16mW·m-1

5、·K-2，是純凈的CCO薄膜的2倍，在測(cè)試的最高溫度380K可達(dá)0.22mW·m-1·K-2。摻入NbNx第二相納米粒子的Ca3Co4O9薄膜具有比Nb摻雜Ca3Co4O9薄膜樣品高的功率因子。
　　3、使用PLD在(001)LaAlO3單晶襯底上外延生長(zhǎng)了c軸取向的SrTiO3薄膜，并通過(guò)離子束注入技術(shù)制備了Nb摻雜SrTiO3薄膜。在50-380K的溫度范圍內(nèi)，測(cè)量了該系列薄膜樣品的電阻率和塞貝克系數(shù)，結(jié)果表明隨著Nb注入摻雜