【摘 要】
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CuCrO2是一种宽禁带(Eg>3.1e V)透明导电氧化物材料,属于菱方铜铁矿结构,材料的晶体结构由密排的Cu+层和CrO6八面体层沿c轴交替堆垛而成。由于其明显的层状结构,体系可能存在较强的输运各向异性。而Mg掺杂能够提高CuCrO2材料的电导率和各向异性,因此本论文制备了高质量的CuCr1-xMgxO2(x=0,0.01,0.02,0.03,0.05)多晶和薄膜,研究了微结构、化学价态、热、
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CuCrO2是一种宽禁带(Eg>3.1e V)透明导电氧化物材料,属于菱方铜铁矿结构,材料的晶体结构由密排的Cu+层和CrO6八面体层沿c轴交替堆垛而成。由于其明显的层状结构,体系可能存在较强的输运各向异性。而Mg掺杂能够提高CuCrO2材料的电导率和各向异性,因此本论文制备了高质量的CuCr1-xMgxO2(x=0,0.01,0.02,0.03,0.05)多晶和薄膜,研究了微结构、化学价态、热、电输运及各向异性等,讨论了Mg的掺杂效应,在CuCr1-xMgxO2薄膜上实现激光感生电压效应(LITV),分析了LITV信号背后的物理机制,对信号的时间响应特征及下降沿与热导率的关联进行了讨论。用固相反应法以1100℃/12h+1100℃/12h烧结制备了c轴择优的CuCr1-xMgxO2(x=0~0.05)多晶,用XRD、SEM、TEM、XPS等表征研究了多晶的相结构、层状晶粒长大和择优取向以及元素的化学态等;Mg掺杂后层状晶粒显著长大,c轴择优明显增强,CuCr0.97Mg0.03O2中取向因子高达F(00l)=0.9。多晶的电阻率-温度(ρ-T)曲线表明其为阿伦尼乌斯热激活模式的半导体行为(dρ/d T<0),Mg掺杂后电阻率下降了三个量级,热激活能明显降低,说明Mg掺杂形成了受主能级,在价带形成了空穴载流子,这与XPS结果中Mg掺杂在Cu+层产生了Cu2+的结果对应。此外Mg掺杂导致层状晶粒沿ab面长大,晶界、缺陷减少,增大了载流子的平均自由程共同提高了材料的导电性。热导率-温度(κ-T)曲线中,热导率为5-12W/m·K,镁掺杂后热导率总体上升,而掺杂量进一步增加后,由于杂相的出现,热导率略有下降;随温度的升高,热导率呈下降趋势。此外,研究了Cu MO2多晶的声子热导率占比,均在98%以上。用脉冲激光沉积技术(PLD)在0°/5°/10°斜切的α-Al2O3(0001)单晶衬底制备了c轴外延的CuCr1-xMgxO2(x=0~0.05)薄膜,测量了薄膜的c轴倾斜角。AFM观察了10°倾斜薄膜的台阶流动(Step-flow)生长。薄膜呈半导体电输运行为,Mg掺杂导致电阻率下降,电阻率各向异性提高,这源于Mg掺杂在Cu+层引入了Cu2+离子,增加了空穴载流子,增大了面内的电输运。研究了CuCr1-xMgxO2(x=0~0.05)薄膜在不同倾斜角、激光能量密度下的LITV信号,Mg掺杂增大了LITV信号,主要因为Mg掺杂增大了薄膜的电阻率各向异性和热电势各向异性。在10度倾斜的CuCr0.98Mg0.02O2的薄膜中观察到了156m V的LITV信号(激光能量密度为117m J/cm2)。讨论了电压信号的长下降沿,主要归因于占绝对优势的声子热导率。
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