鈮摻雜二氧化鈦的熱電性能研究.pdf

1、隨著人類社會的發(fā)展，煤、石油、天然氣等不可再生能源逐漸枯竭，這些能源的使用導致了全球變暖，進而導致沙漠化區(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化為電能而不會造成環(huán)境污染，是一種綠色可持續(xù)能源材料。熱電轉換作為傳統發(fā)電技術的有效補充，得到人們越來越多的關注。
　　熱電材料目前面臨的最大挑戰(zhàn)是其能量轉換效率在很

2、大程度上尚未達到實際應用的需要。為了使熱電材料得到更加廣泛的應用，科研工作者嘗試通過摻雜等方式來提高材料的熱電性能。
　　本論文選取氧化物半導體熱電材料TiO2作為研究對象，對其進行Nb元素摻雜，并進行了不同還原條件的熱處理，然后研究了Nb元素摻雜和不同的還原條件處理對系列樣品的熱電性能的影響。
　　本文的具體工作如下:
　　1、使用傳統的固相反應法，通過在1473K，H2/Ar混合氣氛中進行還原處理，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樣品表現為混合的三斜相TinO2n-1結構（8≤n≤10），而x=0.04，0.08樣品表現為單一的金紅石型TiO2結構，這表明較高的Nb摻入量可以穩(wěn)定TiO2的金紅石結構。在最高測試溫度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、的輸運行為滿足小極化子導電機制。
　　2、使用固相反應法在高溫(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結果顯示:x=0.0，0.01，0.02和0.04樣品表現為混合的三斜相TinO2n-1結構（4≤n≤6），在x=0.08，0.20樣品中出現了四方相金紅石型TiO2的衍射峰，而x=0.40，0.60樣品表現為單一的金紅石型結構，這表明較高濃度的Nb摻雜，可以使TiO

5、2的金紅石型結構穩(wěn)定存在。在100-380K的溫度范圍，測試了該系列樣品的熱電性能。測試結果表明，樣品的電阻率和塞貝克系數隨溫度的變化都表現為半導體行為。通過分析證明了樣品在室溫到380K溫區(qū)的輸運行為滿足小極化子導電機制。在最高測試溫度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在39.13°和84.25°。在室溫下，測量了金紅石TiO2薄膜的電阻率和塞貝克系數，四探針法測試結果給出該薄膜的室溫電阻率為130mΩ· cm，其塞貝克系數為-55μV/K，計算得到金紅石TiO2薄膜樣品室溫時的功率因子為0.0023mW/(m·K2)