掺杂与制备方法对氧化锌热电性能的影响

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本论文通过固相烧结技术和放电等离子体烧结技术成功制备了掺杂ZnO基热电材料并研究了其热、电输运性能及其内耗行为。主要结果包括:  (1)采用固相烧结技术制备Zn1-xAlxO(0.001≤x≤0.03)多晶热电材料。掺杂浓度的增加,Zn1-xAlxO的电导率随之增加而塞贝克系数绝对值减小。Zn1-xAlxO在真空中退火以后,其电导率有较大幅度的提高但塞贝克系数绝对值没有太大的变化。Zn0.98Al0.02O的功率因子在1000k时达到最大值为9.1×10-4W/m-1K-2。  (2)采用固相烧结技术制备了ZnxNb1-xO(0≤x≤0.02)多晶热电材料。研究发现其品格常数a和c随着掺杂量的增加而减小。随着掺杂量的进一步增加其电导率反而降低。掺杂使得ZnO热导率得到大幅的降低。这是由于掺杂增强了晶格散射,降低声子热导率从而降低了热导率。  (3)采用传统的固相烧结技术成功的制备了Al和Nb共掺杂的ZnO基热电材料。掺杂后的样品电阻率、赛贝克系数绝对值和热导率降低,由于功率因子的明显增加,Zn0.985Al0.01Nb0.005O样品的ZT值在1000K为0.13。  (4)采用放电等离子体烧结技术成功的制备了多晶Zn1-xNbxO(x=0.005,0.01和0.02)高温氧化物热电材料。晶粒大小和迁移率随着掺杂浓度的增加而减小。同时研究了样品室温300K到1000K的热电性能:掺杂Nb后其电导率有了大幅度的提高,样品的塞贝克系数绝对值下降,同时掺杂降低了样品热导率。样品Zn0.995Nb0.005O在1000K获得了最大的ZT值0.10。  (5)采用放电等离子体烧结技术成功制备了多晶Zn1-x-yAlxNbyO(0≤x≤0.03,0≤y≤0.02)高温氧化物热电材料。结果表明:掺杂样品的塞贝克系数绝对值下降,但其电导率有了大幅度的提高。同时掺杂降低了样品的其热导率。因此,样品Zn0.97Al0.03O在1000K获得了最大的ZT值0.15。  (6)测试了固相烧结制备的ZnO和Zn0.98Al0.02O化合物从室温到700℃的内耗变化行为,研究结果表明掺杂Al2%的ZnO在120℃和350℃左右出现内耗峰,XRD表征了从室温到600℃内的晶面间距的变化,DSC测试了ZnO和Zn0.98Al0.02O化合物的放热变化,TEM观测了其内部结构并且确认了其杂质相分布位置。  
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