Na或-和Zn摻雜Ca3Co4O9熱電性能研究.pdf

1、Ca3Co4O9是目前發(fā)現(xiàn)最有可能在中高溫區(qū)得到應用的熱電材料體系之一。為了進一步改善其熱電性能,人們對Ca3Co4O9的Ca位和Co位摻雜進行了大量研究。本文采用溶膠-凝膠制備工藝,通過對Ca位Na、Co位Zn以及兩種元素的同時摻雜,研究Na或／和Zn摻雜對Ca3Co4O9結(jié)構(gòu)和熱電性能的影響。
　　 分析了煅燒溫度對Ca3Co4O9前驅(qū)粉體成相的影響,發(fā)現(xiàn)只有當煅燒溫度在750～850℃時,才可以獲得無雜相的Ca3Co4O9

2、前驅(qū)粉體,確定了本文前驅(qū)粉體煅燒溫度為750℃。SEM觀察表明:900℃常壓燒結(jié)Ca3Co4O9樣品層片狀結(jié)構(gòu)明顯,晶粒尺寸在2～3μm左右,且分布均勻。電阻率溫度關(guān)系表明:Ca3Co4O9在室溫到100℃呈金屬特性,而100～480℃呈半導體特性,480℃以上再次表現(xiàn)為金屬特性。在測量溫度范圍內(nèi),Seebeck系數(shù)隨溫度升高持續(xù)升高,且為正值,表明Ca3Co4O9是P型半導體。樣品熱導率隨溫度升高有所增大,ZT值在500℃接近0.1。

3、
　　 通過Na對Ca的置換,研究了Na含量對(NaxCa1-x)3Co4O9(x=0,0.02,0.05,0.1,0.15和0.2)結(jié)構(gòu)和熱電性能的影響。發(fā)現(xiàn)適量Na摻雜可以使材料的微觀結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化。當Na含量為0.05時,具有最小電阻率水平(9.4～10mΩ·cm),明顯低于純樣值(13.1～14mΩ·cm)。這表明Na置換Ca能明顯改善Ca3Co4O9導電性。當Na含量為0.1時,Seebeck系數(shù)具有最大值258.8μV

4、·K-1(550℃),比純樣有較大幅度提升。Na摻雜將導致熱導率升高。綜合結(jié)果表明:當x=0.1時,(NaxCa1-x)Co4O9具有最佳熱電性能,500℃下的ZT可達0.14,比未摻Na樣品提高了40％。
　　 通過Zn對Co的置換,研究了Zn含量對Ca3(Co1-xZnx)4O9(x=0,0.05,0.1和0.15)結(jié)構(gòu)和熱電性能的影響。發(fā)現(xiàn)當Zn含量超過0.05時,XRD譜上出現(xiàn)了ZnO雜相,且衍射峰均向右發(fā)生一定偏移。S

5、EM觀察表明:Zn摻雜將導致樣品晶粒尺寸(1～2μm)變小,層片狀結(jié)構(gòu)、取向度也變得不再明顯。Zn摻雜在導致電阻率升高的同時,會適當提高Seebeck系數(shù)。綜合結(jié)果表明:x=0.1時,具有最大功率因子357.5μW·m-1·K-2(520℃),明顯高于純樣的246.3μW·m-1·K-2。這表明適量Zn摻雜也能提高Ca3Co4O9的熱電性能,但效果不及Na摻雜明顯。
　　 Na和Zn共摻雜結(jié)果表明:(NaxCa1-x)3(Co1

6、-yZny)4O9(x=0.1,0.15、y=0.05,0.1)樣品晶粒尺寸進一步增大至5～7μm,層片狀結(jié)構(gòu)明顯,但厚度明顯變薄。雙摻雜樣品電阻率均高于純樣,Seebeck系數(shù)提高不明顯。較高的電阻率使得所有樣品的功率因子均低于無摻雜樣品。
　　 總之,在Ca3Co4O9中Ca位摻Na可顯著提高材料熱電性能,Co位摻zn雖也能改善材料熱電性能,但效果不如Ca位摻Na明顯,而Na和Zn共摻雜反而導致其熱電性能降低。