層狀鈣鈦礦型氧化物熱電材料的制備及輸運(yùn)性能研究.pdf

1、鈣鈦礦型熱電材料是有研究?jī)r(jià)值的熱電材料之一。特別是高濃度摻雜的SrTiO3表現(xiàn)出高的熱電性能，是n型熱電材料中比較好的一種，但存在熱導(dǎo)率偏高的缺點(diǎn)。而Ruddlesden-Popper型鈣鈦礦層狀化合物SrO(SrTiO3)n(n=1,2)與SrTiO3相比，由于特有的層狀結(jié)構(gòu)使其具較低的熱導(dǎo)率。但是，其功率因子S2·σ相對(duì)于SrTiO3的下降是十分顯著的，而且其合成比較困難。所以如何利用鈣鈦礦層狀結(jié)構(gòu)有效降低材料熱導(dǎo)率的同時(shí)，不損害材

2、料的輸運(yùn)性能成為人們關(guān)注的問(wèn)題。解決這一問(wèn)題的前提就是了解層狀結(jié)構(gòu)對(duì)材料輸運(yùn)性能的影響機(jī)理。因此，本論文選擇Ruddlesden-Popper型SrO(SrTiO3)n(n=1,2,∞)和LaO(LaNiO3)n(n=1,2,3,∞)兩組系列化合物作為研究對(duì)象，對(duì)它們的電子結(jié)構(gòu)、合成方法、輸運(yùn)性能作了系統(tǒng)的研究。
　　使用微波輔助溶膠凝膠法合成前驅(qū)體，結(jié)合自蔓延法合成了SrO(SrTiO3)n(n=1,2,∞)材料的納米粉體。通過(guò)

3、對(duì)不同燒結(jié)溫度下合成樣品的X射線衍射譜圖和DTA/TG曲線進(jìn)行分析，明確了合成反應(yīng)的歷程，確定材料的合成反應(yīng)溫度為850℃。利用掃描電子顯微鏡對(duì)所合成材料的形貌進(jìn)行了分析。掃描電鏡照片顯示層狀鈣鈦礦化合物中有碟狀粒子存在，且這種碟狀粒子的厚度在100-200nm之間，直徑與厚度之比達(dá)到10，二維特征明顯。這種納米碟狀粒子形貌的形成主要是由晶體的層狀結(jié)構(gòu)造成的。
　　對(duì)材料進(jìn)行了紫外-可見漫反射光譜和紅外光譜的測(cè)試，并結(jié)合電子結(jié)構(gòu)計(jì)

4、算的結(jié)果以及晶體結(jié)構(gòu)的相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)材料的光吸收性能進(jìn)行了分析。紅外光譜研究顯示，SrO(SrTiO3)n(n=1,2)的TiO6八面體的伸縮振動(dòng)峰變寬。其寬度隨材料n值的增大而減小。這主要是由于構(gòu)成八面體的各Ti-O鍵的鍵長(zhǎng)和結(jié)合力變化造成的。SrO(SrTiO3)n(n=1,2,∞)的紫外吸收光譜顯示，吸收邊隨著n值的減少而藍(lán)移。研究表明層狀結(jié)構(gòu)和TiO6八面體拉伸，是材料光吸收性能演變的主要原因。
　　研究了鑭摻雜的替代效應(yīng)，測(cè)

5、試了SrO(Sr1-xLaxTiO3)n(n=1,2,∞)材料輸運(yùn)性能。計(jì)算了SrO(Sr1-xLaxTiO3)n(n=1,2,∞)材料的帶結(jié)構(gòu)和部分態(tài)密度。La的摻雜引起費(fèi)米面升高，導(dǎo)致材料具有金屬導(dǎo)電特性。但是金屬轉(zhuǎn)變僅存在于鈣鈦礦Ti-O-Ti平面內(nèi)，垂直于鈣鈦礦層的方向始終處于高電阻狀態(tài)。
　　利用基于密度泛函理論的CASTEP軟件對(duì)SrO(SrTiO3)n(n=1,2,∞)電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。計(jì)算了該體系的能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密

6、度、不同元素的部分態(tài)密度、原子布居和重疊布居等。研究這種二維結(jié)構(gòu)對(duì)材料電子結(jié)構(gòu)的影響。研究結(jié)果表明層狀鈣鈦礦型化合物SrO(SrTiO3)n(n=1,2)的晶體結(jié)構(gòu)中不同位置的氧原子有不同的部分態(tài)密度。處在鈣鈦礦層邊緣的Ti-O鍵相對(duì)與其它Ti-O鍵來(lái)說(shuō)共價(jià)性和結(jié)合力較弱。布居分析也證實(shí)了這一點(diǎn)。與簡(jiǎn)單鈣鈦礦結(jié)構(gòu)相比，層狀結(jié)構(gòu)具有更低的載流子遷移率和更高的有效載流子質(zhì)量。SrO(SrTiO3)n(n=1,2)的輸運(yùn)行為具有明顯的二維特征

7、。
　　使用微波輔助溶膠凝膠法合成前驅(qū)體，結(jié)合自蔓延法合成LaO(LaNiO3)n(n=1,2,3,∞)材料的納米粉體，并測(cè)試材料的輸運(yùn)性能。結(jié)果顯示LaO(LaNiO3)n(n=1,2,3,∞)電導(dǎo)率的大小隨著n值的增加而增加。這主要是由于隨著n值的增加導(dǎo)致Ni3+的濃度的增加，即載流子濃度逐漸增加的結(jié)果。其中，LaO(LaNiO3)n(n=1)材料在700K溫度附近，發(fā)生半導(dǎo)體-金屬轉(zhuǎn)變。使用基于密度泛函理論的CASTEP軟件