论文部分内容阅读
随着现代社会的发展，日益严峻的能源危机和环境问题迫使人们开发新的能量转换技术来解决这一问题。热电材料可以直接将热能转化为电能而不会引起任何环境问题。虽然从目前的研究结果来看，热电能源转换技术不太可能完全替代传统的发电技术，但是该技术可以成为传统能源生产技术的有效补充，特别是热电器件能够直接将废热转化为电能，可以实现废热的回收利用，从而有效地提高能源的利用率。 热电材料现在面临的最大挑战是能量转换效率还不够高。掺杂是一种有效提高材料热电性能的重要方法，然而，目前氧化物薄膜热电材料的掺杂工艺或是非常复杂，或是对设备条件要求很高，很难大规模生产。离子束注入技术已经成功应用于现代的半导体器件生产领域，如果能够将离子束注入技术应用到氧化物薄膜材料的掺杂工艺，可以大大地简化掺杂氧化物薄膜热电材料的制备过程，并且容易实现大规模工业化生产。因此，为了找到一种既简单方便又容易工业化的掺杂氧化物薄膜热电材料制备方法，我们对两种典型的氧化物薄膜热电材料（p型Ca3Co4O9和n型SrTiO3）进行离子束注入改性的研究。 本文的具体工作内容如下: 1、使用激光脉冲沉积(PLD)在(0001)Al2O3单晶衬底上外延生长了c轴取向的Ca3Co4O9热电薄膜。运用离子束注入技术将Nb注入掺杂到了Ca3Co4O9热电薄膜。在175-380K的温度范围内，测量了系列薄膜样品的电阻率和塞贝克系数，结果表明Nb的注入掺杂可以有效地改变薄膜样品的功率因子。当注入剂量为3.65×1019/cm3时，薄膜样品的功率因子在室温下为0.10mW·m-1·K-2，而在测试的最高温度380K达到最大值0.17mW·m-1·K-2。 2、通过对Nb注入后的Ca3Co4O9薄膜在纯净的N2中进行热处理，在Ca3Co4O9热电薄膜中生成了NbNx纳米粒子。使用PPMS测量了样品的电导率和塞贝克系数，结果表明适量的Nb注入可以使Ca3Co4O9薄膜的功率因子升高。当注入剂量为1.46×1020/cm3时，样品的功率因子在室温可达0.16mW·m-1·K-2，是纯净的CCO薄膜的2倍，在测试的最高温度380K可达0.22mW·m-1·K-2。掺入NbNx第二相纳米粒子的Ca3Co4O9薄膜具有比Nb掺杂Ca3Co4O9薄膜样品高的功率因子。 3、使用PLD在(001)LaAlO3单晶衬底上外延生长了c轴取向的SrTiO3薄膜，并通过离子束注入技术制备了Nb掺杂SrTiO3薄膜。在50-380K的温度范围内，测量了该系列薄膜样品的电阻率和塞贝克系数，结果表明随着Nb注入掺杂可以有效改变SrTiO3薄膜的功率因子。当注入剂量为8.66×1020/cm3时，样品的功率因子在室温为1.1mW·m1·K-2，而在测试的最高温度380K可达2.0mW·m-1·K-2。