Bi系Co基氧化物热电陶瓷及薄膜的制备与性能研究

【摘要】：热电材料是一种将热能和电能直接转换的功能材料,在热电发电和热电制冷领域有广阔的应用前景。新型Co基氧化物热电材料因具有较高的电导率和较大的Seebeck系数,受到了人们的广泛关注。目前,Bi系Co基氧化物热电材料的研究多集中于材料制备方法与性能提高等方面,低维化也是主要的研究方向之一。本文论述了Co基氧化物热电材料的结构特征和热电特性,介绍了制备热电陶瓷及热电薄膜的各种方法,阐述了提高热电材料热电特性的途径以及热电材料在温差发电和制冷方面的应用。 本论文对Bi2Sr2Cy热电陶瓷靶材和薄膜的制备及电学性能进行了研究,主要工作分为以下几部分： 以Bi2O3、SrCO3、CO2O3为原料,采用固相反应法制备了Bi2Sr2Co2Oy热电陶瓷。通过工艺探索得到最佳的制备工艺是：预烧：2h升温到860℃,保温6h；二次烧结：2.5h升温到880℃,保温2h,然后升温到890℃,保温4h,最后降温到880℃,保温2h。采用X射线衍射分析,扫描电子显微镜等表征技术研究了样品的物相及显微组织形貌；采用标准四探针法测试样品的电学性能。结果表明：样品为单相,组织均匀,为层片状结构,且具有明显的c轴择优取向。样品的电阻率-温度关系图显示,采用固相反应法制备的Bi2Sr2Co2Oy陶瓷样品的电子输运性质在150K时存在着半导体特性向金属特性的转变。 以固相反应法制备的Bi2Sr2Co2Oy陶瓷为靶材,采用脉冲激光沉积(PLD)技术在Al2O3(0001)单晶平衬底上制备了Bi2Sr2Co2Oy热电薄膜,通过原位退火、后退火、无退火三个工艺的探索得到最佳的制备工艺为采用无退火工艺：衬底温度：790℃；氧压：60Pa；沉积时间：8min；单脉冲激光能量：300mJ。X射线衍射图谱显示Bi2Sr2Co2Oy热电薄膜沿c轴外延生长。采用标准四探针法测试了Bi2Sr2Co2Oy热电薄膜的电学性能,结果表明所制备的Bi2Sr2Co2Oy热电薄膜在80K～360K的范围内呈半导体导电特性。 在倾斜角度为10°和15°的Al2O3(0001)单晶倾斜衬底上制备了不同沉积时间的系列膜,测试其激光感生热电电压(LITV)信号。首次在Bi2Sr2Co2Oy热电薄膜中发现激光感生热电电压信号。研究表明,在倾斜角度分别为10°和15°的倾斜衬底上制备的Bi2Sr2Co2Oy热电薄膜都存在一个最佳的沉积时间,在这一最佳的沉积时间下制备的薄膜的LITV信号的峰值电压达到最大,分别为0.44V和0.78V。另外,生长在倾斜角度为15°衬底上的薄膜的LITV信号强度大于生长在倾斜角度为10°衬底上的薄膜的LITV信号强度,即LITV信号强度与衬底斜切角度成正比。该激光感生热电电压(LITV)信号是由Bi2Sr2Co2Oy薄膜面内和面间塞贝克(Seebeck)系数张量的各向异性引起的。