β-FeSi2和ZnO及其复合陶瓷材料的制备与热电性能
【摘要】:
本文采用基于密度泛函理论的第一性原理的赝势平面波方法,对掺杂引起的ZnO、β-FeSi_2系的电子结构变化进行了详细的计算研究,在理论上预测了掺杂引起的热电性能变化。采用化学共沉淀的方法制备了Al及Al和Sn共掺杂的ZnO系块体材料,研究了掺杂含量及热处理温度对组织结构及热电性的影响。由于纳米材料的独特性能,也合成了几种形貌的ZnO纳米材料,并对其形成机理作了详细阐述。另外,通过高能球磨和热处理两步获得了β-FeSi_2粉体,对球磨时间及热处理温度的影响作了详细探讨,深入分析了机械合金化及相变的微观机制。最后,通过表面活性剂处理及溶胶凝胶的办法,获得了均匀致密的ZnO纳米粒子包覆的β-FeSi_2样品,对其热电性能与掺杂含量关系作了详细探究。
计算发现Al和Sn掺杂会使ZnO电子结构发生显著变化。随掺杂含量增加,费米能级由价带顶移向导带,态密度增大。Co原子掺杂会使β-FeSi_2由间接带隙变为直接带隙,带隙变窄。因而,从理论上预测了向β-FeSi_2-ZnO系材料中引入Al、Sn和Co掺杂原子会使材料的电学性质得到提高。
ZnO系材料的热电性能随着Al掺杂含量增加而逐渐提高。对于Al/Sn共掺的ZnO样品,Al掺杂量1at.%不变,Sn分别掺杂2at.%和3at.%时,Sn掺杂含量越高样品越难致密,对于纯Sn掺杂的样品会形成稳定的多孔结构。Sn掺杂含量增加,样品热导率会大幅度降低。
通过控制化学反应条件,获得了各种奇特形貌的纳米ZnO热电材料。首先,乙酸锌与氨水反应制得ZnO前躯体,当反应物浓度较低时,得到的是带状前躯体,增加反应物浓度就可以获得八面体状前躯体,将各种形貌前躯体热分解就可以制得对应形貌的ZnO超结构。若带状前躯体经过不同条件湿化处理,就可以获得粗细不同的棒状ZnO。另外,当在化学反应过程中掺入Al离子时,就可以得到ZnO纳米片。
以Fe, Co, Si粉为原料通过高能球磨可以获得α-Fe_2Si_5和ε-FeSi的混合粉体,随着球磨时间增加,粒子逐渐细化,甚至经过30h球磨的粉体粒径可降到500nm。将球磨获得的α-Fe_2Si_5和ε-FeSi混合粉体在800oC热处理5h后即可生成β-FeSi_2,粉体经过热压或SPS烧结可获得致密的块体材料。当Si过量时,经过热处理在β-FeSi_2粉体和SPS烧结的块体中会原位生长Si纳米线,使得样品热导率降到4W·m~(-1)K~(-1)左右。
对于ZnO包覆的β-FeSi_2样品,采取的是先将β-FeSi_2粒子进行带电处理,然后在sol-gel的过程生成ZnO纳米粒子的过程将经过处理的β-FeSi_2粒子引入,以达到很好的包覆效果。ZnO包覆的β-FeSi_2热电性能得到了很大提高,并且由于ZnO的引入使得β-FeSi_2基材料的最佳工作温区向高温方向扩展了100oC,对于热电器件来说是具有重要意义的。
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1 |
席燕燕,黄怀国,郑志新,董平,周剑章,吴玲玲,林仲华;ZnO-聚苯胺复合膜的制备和性能研究[J];电化学;2003年01期 |
2 |
宋洋,阎研,邢英杰,俞大鹏,张树霖;ZnO纳米管的拉曼光谱学研究[J];光散射学报;2004年02期 |
3 |
李栋梁,董峰亮,邹炳锁;直接沉淀法制备纳米ZnO[J];化工新型材料;2002年06期 |
4 |
郑占丰,高学平,潘桂玲,鲍建莉,曲金秋,吴锋,宋德瑛;一维棒状ZnO的制备及电化学嵌锂性能研究[J];无机化学学报;2004年04期 |
5 |
李瑜煜;张仁元;;N型热电材料ZnO热压烧结工艺研究[J];兵器材料科学与工程;2008年05期 |
6 |
陈建勋,赵瑞荣,秦毅红;影响氧化锌压敏陶瓷电性能的因素[J];矿冶工程;1999年01期 |
7 |
赵金安,张惠勤;SnO_2/ZnO及ZnO/SnO_2双层膜的气敏性质[J];化学研究;1999年04期 |
8 |
杨闵昊;梁涛;彭宇才;陈清;;碳纳米管/ZnO纳米复合体的制备和表征(英文)[J];物理化学学报;2007年02期 |
9 |
舒小林,胡望宇,王玲玲,张邦维,黄杨程,宋应东,肖汉宁;掺杂对纳米ZnO粉末晶粒度和结构的影响[J];湖南大学学报(自然科学版);2001年04期 |
10 |
郭薇,骆广生,王玉军;微波加热实现分子筛负载氧化锌及其效果表征[J];高校化学工程学报;2004年03期 |
11 |
方泽波,朋兴平,谭永胜,何志巍,王印月;ZnO∶Tb透明导电薄膜的制备及其特性研究[J];稀有金属;2004年03期 |
12 |
李春萍;郭林;王广胜;吕玉珍;徐惠彬;;ZnO纳米棒的拉曼和发光光谱研究(英文)[J];光散射学报;2006年01期 |
13 |
邹强;张之圣;李海燕;胡明;秦玉香;刘志刚;;聚乙烯醇辅助合成ZnO纳米带及其表征[J];高等学校化学学报;2006年07期 |
14 |
张德恒;射频溅射制备的多晶ZnO膜表面氧的吸附和脱附(英文)[J];物理化学学报;1995年09期 |
15 |
井立强,郑莹光,徐自力,董凤霞,孙晓君,蔡伟民,徐英凯;ZnO超微粒子的EPR特性和光催化性能[J];高等学校化学学报;2001年11期 |
16 |
井立强,孙晓君,郑大方,徐跃,李万程,蔡伟民;ZnO超微粒子的量子尺寸效应和光催化性能[J];哈尔滨工业大学学报;2001年03期 |
17 |
刘文静
,樊惠玲
,李春虎
,郭汉贤;CO对ZnO脱硫行为的影响[J];太原科技;2001年06期 |
18 |
王敏,蒙继龙;透明导电氧化物薄膜的研究进展[J];表面技术;2003年01期 |
19 |
吕敏峰,崔作林,张志焜;Sol-Gel法制备ZnO∶Al透明导电薄膜[J];材料科学与工程;2003年02期 |
20 |
刘晓存,李艳君,单连梅;ZnO和CaF_2对C_3S和C_4A_3矿物形成的影响[J];建筑材料学报;2003年01期 |
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