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本文首先详述了热电现象、热电材料的发展历史、热电材料的研究进展,选择了氧化物NaCo2O4作为我们的研究对象。NaCo2O4是一种层状化合物,由导电层和隔热层交替重叠而成,这种材料中的载流子与晶格间相互作用非常强,载流子引起晶格极化形成极化子,其传导过程为热激发作用下的极化子跃迁过程,跃迁可发生于晶格内等能位置间和不等能位置间。根据Slack理论,它是一个“电子晶体、声子玻璃”的理想化模型,其载流子的迁移率比较低,并且随着温度的升高而升高,平均自由程小于晶格原子间距,所以它的导电率比较低,并且导热率也非常低。
本文对NaCo2O4基的热电材料进行了研究,首先采用了固相反应法制备了NaCo2O4块体材料,然后采用熔融法制备了NaxCoO2.δ单晶。通过X射线衍射分析确定多晶式样的化学成分及结构;采用SCXmuii台式小分子单晶X射线分析装置对单晶样品的结构和各项参数进行标定;运用PPMS测量了单晶样品的磁学性质。最后,对不同的样品在高温范围下的热电性能进行比较,并对此体系的热电性能与温度的关系进行了研究。
熔融法制备NaxCoO2.δ单晶样品的步骤为:快速升温后在I050℃下保温5个小时,然后以-2 K/h的速率缓慢的降温至850℃,此方法可以的到较大颗粒的单晶样品。NaCo2O4电子结构是属于过渡态金属氧化物,具有较窄的能隙宽度。其导电性主要来源于Co的3d轨道及O的2p轨道。Na的2s和2p轨道对NaCo2O4的导电性有非常重要的作用。本试验所制备的单晶的磁化曲线及磁化率一温度曲线都表明:在32K时存在一个明显的磁相变,该相变与系统的自旋方向转变有关。当外加磁场小于0.5T时,体系中存在微弱的软铁磁性,这种现象在自旋密度波相变中非常少见。本课题在深入研究单晶制备方法的前提下,首次采用直接熔体快速升温选用KSL-1700X型马弗炉获得了较为理想的NaxCoO2-δ单晶。本文得到的有关NaCo2O4体系的结论表明NaCo2O4基是一种值得研究的热电材料。