【摘 要】
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本文研究了掺杂元素和烧结气氛等工艺条件对ZnO陶瓷热电性能的影响。ZnO是一类具有宽带隙（室温3.37 eV）、大激活能（60 meV）、高Seebeck系数和高电导率和高熔点（1975℃）的半导体材料。相对于其它氧化物热电材料,ZnO具有较高的功率因子,有可能成为优异的高温区热电材料。但是较高的晶格热导率不利于ZnO热电性能的进一步提高。本毕业论文旨在保持ZnO的功率因子其不变的情况下,通过进一
【基金项目】
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by the National Basic Research Program of China of2013CB632506； the Natural Science Fund of China under grant Nos.51501105,51672159,51871134,51611540342； the Youn
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本文研究了掺杂元素和烧结气氛等工艺条件对ZnO陶瓷热电性能的影响。ZnO是一类具有宽带隙（室温3.37 eV）、大激活能（60 meV）、高Seebeck系数和高电导率和高熔点（1975℃）的半导体材料。相对于其它氧化物热电材料,ZnO具有较高的功率因子,有可能成为优异的高温区热电材料。但是较高的晶格热导率不利于ZnO热电性能的进一步提高。本毕业论文旨在保持ZnO的功率因子其不变的情况下,通过进一步降低ZnO的晶格热导率,以期达到提高ZnO热电性能的目标。本文首先确定了传统的固相反应法合成ZnO陶瓷样品的最佳条件。研究了不同球磨时间对热电性能的影响,发现实现最佳热电性能的球磨时间一般是15小时。通过球磨可以影响材料的各项性能,因此球磨技术是合成纯净和掺杂的ZnO关键工艺流程之一。实验中发现使用湿法研磨,行星球磨机单向旋转,转速为2O5rpm时,能够得到均匀的混合物。烧结氛围是影响材料热电性质的另一个重要因素。ZnO在存在氧空位时很不稳定,所以找到一个合适的烧结氛围非常重要。同样组分的样品放在不同的氛围下烧结得到的Seebeck系数也不同。研究发现在氩气环境下烧结样品的Seebeck系数低于在空气中烧结样品的数值。本文确认了在氩气氛围下烧结得到的ZnO和掺杂ZnO都发生了半导体到金属相的转变。同时,在氩气氛下制备得到的样品电阻率均随测量温度的升高而增大,在高温区表现出金属的导电行为。由此得到了烧结氛围是影响ZnO热电性能的一个重要因素这一结论。通过引入不同的掺杂元素,实现ZnO热电性能的优化。本文系统研究了单、双元素掺杂（三价元素Al3+、In3+、Ga3+、B3+）制备得到的ZnO样品,并测量了其热电性能。本文详细研究了掺杂不同浓度Al2O3、B2O3,In2O3的ZnO样品的热电性能,尤其是在氩气氛中合成的样品。在氩气氛中合成的样品由于氧空位的缺失,较在空气中合成的样品具有较低的电阻率。研究发现ZnO的功率因子可通过调整掺杂元素、掺杂浓度得到提高。本论文中的工作大多都是在氩气的环境下进行的,对于Al、B共掺杂的ZnO,最佳烧结温度为1400℃至1450℃。在温度为1450℃时得到了最低电阻为1.224mΩ-cm。在成功制备In掺杂ZnO后,又用固相反应法制备了 Al单掺杂ZnO。发现铝掺杂的氧化锌最高功因子为8.886×1 0-4WK-2m-1,电阻率最高为7.674 mΩ·cm。在氩气气氛下烧结的铝掺杂的氧化锌具有最低的电阻率1.997 mΩ·cm,是目前报道过的掺杂氧化锌陶瓷的最低值。同时研究发现单掺以及双掺杂的样品在总掺杂量为1%的时候对提高体系的热点性能是有益的。本论文的工作显示氧化锌是有很潜力环保型高效的热电材料。
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