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ZnO基热电材料的制备与性能研究

左连勇  
【摘要】: 热电材料是一类能直接实现热电转换功能的材料,无需机械部件,无噪音,节约能源,因此受到人们的关注。ZnO作为良好的n型半导体热电材料,由于其具备来源丰富、价格低廉、无污染、热稳定性高、化学稳定性好等优势,在高温工作温度范围内极具潜力。 采用固相反应法制备了ZnO基热电材料。通过XRD、热电测试装置分析了含不同掺杂源(S、Fe、Ni)ZnO试样的物相组成、晶体结构以及功率因子,获得了各自的最佳掺杂浓度。通过改变S掺杂试样的烧结温度,利用SEM分析了不同烧结温度试样的形貌特征,研究了烧结温度对S掺杂试样热电性能的影响。在S掺杂的基础上,通过改变ZnO中纳米TiO2颗粒的含量,研究了纳米颗粒掺杂对电学性能的影响。 对于1273K烧结ZnO基热电材料的研究表明:未掺杂ZnO热电材料是n型半导体材料,其在1073K的电导率、Seebeck系数、功率因子分别为:9.5~(-1)cm~(-1)、~(-1)59.3μV/K、2.4×10-5 Wm~(-1)K~(-2);Fe是一种良好的n型掺杂剂,最佳掺杂浓度为2at.%,试样ZnO:Fe(x=0.02)在1073K的功率因子(1.7×10-4Wm~(-1)K~(-2)),为同温度下未掺杂ZnO功率因子的7倍;Ni掺杂ZnO热电材料也为n型半导体材料,但其掺杂效果比Fe差,最佳掺杂浓度为1at.%,试样ZnO:N(ix=0.01)在1073K的功率功率因子为0.7×10-4Wm~(-1)K~(-2);S掺杂ZnO是n型半导体材料,其掺杂效果好于Fe、Ni,最佳掺杂浓度为3 at.%,试样ZnO:S(x=0.03)在1073K的功率因子为2.5×10-4 Wm~(-1)K~(-2)。在三种不同烧结温度(1173K、1273K、1373K)的ZnO:S(x=0.03)试样中,1273K烧结试样在1073K具有最高功率因子。纳米TiO2颗粒的掺杂没有改变试样ZnO:S(x=0.03)的n型半导体特性,而且试样原有的电导率得到有效保持,此时的纳米TiO2最佳掺杂浓度为0.3at%,试样ZTOS0.3%(S:3at.%,TiO2:0.3at.%)在1073K的功率因子为ZnO:S(x=0.03)的1/2,这一下降幅度与文献报道的有效纳米颗粒掺杂(能够大幅降低热导率并提高热电优值)带来的功率因子降幅相当。因此,纳米TiO2颗粒掺杂后ZnO基热电材料ZT值的提高值得期待。


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