钴酸盐热电材料的制备、性能及量子化学计算

【摘要】：本文对热电效应、与热电参数有关的理论以及其研究进展作了较为详细综述。以具有一维Co-O链的Ca_3Co_2O_6和二维Co-O链的失配层结构Ca_3Co_4O_9钴酸盐氧化物作为研究对象，同时采用实验和理论计算相结合的手段展开研究。 以柠檬酸盐溶胶-凝胶法和常压烧结组合的方式，考虑了粉料合成过程中各种因素的影响，Ca_3Co_2O_6是Ca_3Co_4O_9在一定的煅烧温度下分解后的产物。Ca_3Co_2O_6和Ca_3Co_4O_9的电阻率和Seebeck系数随温度的变化趋势基本一致，都是p型半导体，功率因子都是随着温度的升高而增大，而Ca_3Co_4O_9的功率因子在600℃以后递增幅度突然加大。采用Cu和Sr对两种氧化物的Co位和Ca位原子进行掺杂，发现通过掺杂在一定程度上可以降低材料的电阻率，但(Ca_(1-x)Sr_x)_3Co_2O_6的Seebeck系数变化较小，Ca_3(Co_(1-x)Cu_x)_2O_6(x=0.1)的则在温度为100-500℃有明显改善。Ca_3Co_4O_9基氧化物的电阻率和Seebeck系数都随着温度的升高而升高，但是电阻率比未掺杂前还是降低的，其Seebeck系数则变化不大。 Ca_3Co_2O_6体系选用基于密度泛函和赝势理论的量子化学软件包CASTEP进行计算。从能带结构图中可以看出材料为p型窄带半导体，总态密度的价带和导带主要是由Co原子和O原子作贡献，说明Ca_3Co_2O_6的导电能力主要是沿着c轴方向的Co-O链引起的，另外对价带顶和导带底在主轴方向有效质量的计算也证实了这一观点；在Ca_(1.5)Sr_(1.5)Co_2O_6的掺杂体系中Ca和Sr几乎没有贡献，而Co1-Co2之间的相互作用则减弱；用Cu取代处于八面体位置的Co1，该模型的组成为Ca_3Co_(1.5)Cu_(0.5)O_6，能带结构图中出现受主杂质能级，带隙变窄，在态密度图中可以看出，Cu替换Co1后，对费米能级附近的导带贡献较大，而Cu与Co2之间的反键作用加强。 Ca_3Co_4O_9体系的计算是采用离散变分法对其电子结构、化学键和电荷分布等进行计算。Ca_3Co_4O_9氧化物属于p型窄带半导体，Co原子和O原子对费米能级附近的价带和导带作贡献较大，Ca_3Co_4O_9的键性具有很强的各向异性，在垂直于c轴方向上有利于降低材料的电阻率。Ca_(11)SrCo_(14)O_(42)模型中原子的离子键性减弱，Co和O原子对价带和导带的贡献有所变化。Cu原子分别替换了Ca_2CoO_3层和CoO_2层中Co位原子，对于前者，由于Cu原子的引入，层中原子的键性和