發(fā)布時間：2020-10-09 18:28

　　 近年來,現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展導(dǎo)致能源問題日益凸顯,發(fā)展清潔可再生的能源成為了科研工作者關(guān)注的重點,熱電材料就是其中的熱門領(lǐng)域之一。同時微電子器件的發(fā)展促進(jìn)了科研工作者更加關(guān)注微納尺寸熱電材料的性能和應(yīng)用,尤其是在熱管理以及熱耗散等方面性質(zhì)的研究更是目前的熱潮。這其中,層狀材料具有獨特的結(jié)構(gòu)和化學(xué)組分,往往可以通過人為調(diào)控的手段而產(chǎn)生優(yōu)異的熱電性能。基于原子尺度上的元素調(diào)控思想,本文制備了一系列典型的層狀材料晶體,利用時域熱反射(TDTR)的方法研究了不同組分和結(jié)構(gòu)下層狀材料的本征熱傳導(dǎo)性質(zhì)。主要包括:1、利用一系列基本的材料表征手段,我們系統(tǒng)地研究了材料的成分、組成和結(jié)構(gòu),以驗證其具有良好的單晶特性�；陲w秒脈沖激光的時間分辨“泵浦-探測”技術(shù),我們搭建了一套時域熱反射測量(TDTR)平臺。通過前期的調(diào)試、檢測和標(biāo)定,我們確保了 TDTR系統(tǒng)的測量精度、可靠性和穩(wěn)定性。同時,我們還發(fā)展了皮秒激光超聲和時間分辨的布里淵散射法,用于測量材料的彈性力學(xué)性質(zhì),為后續(xù)熱輸運性質(zhì)的深入研究打下基礎(chǔ)。2、我們利用助熔劑法制備了 BiAECoO(AE=Ca,Sr,Ba)的單晶材料體系,并采用TDTR方法測量了 c軸方向上的本征熱導(dǎo)率(kc),發(fā)現(xiàn)BiAECoO單晶材料體系在室溫下的熱導(dǎo)率接近無序結(jié)構(gòu)的最小熱導(dǎo)率,同時也遠(yuǎn)低于之前文獻(xiàn)報道的層狀氧化物材料的最低熱導(dǎo)率數(shù)值。基于聲子熱輸運的動力學(xué)方程,配合材料表征和測試分析,我們將這種極低熱導(dǎo)率的現(xiàn)象歸因于失配界面和層間范德華弱相互作用力。此外,我們利用布里奇曼法制備了 SnSe單晶材料體系,發(fā)現(xiàn)選擇合適的元素替位可以有效地降低該材料體系的熱導(dǎo)率�？偨Y(jié)這兩個體系的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn):通過元素調(diào)節(jié),我們可以改變材料的層間距、層間作用力、結(jié)構(gòu)的適配度等性質(zhì),進(jìn)而實現(xiàn)層狀材料的熱導(dǎo)率調(diào)控;同時,針對一些典型的“聲子玻璃-電子晶體”的材料(BiAECoO體系),我們可以采用獨立調(diào)節(jié)其電子和聲子輸運性質(zhì)的方法,來探索和制備高熱電性能的材料。3、我們用化學(xué)氣相傳輸法制備ZrSiS和Zr/HfTe5單晶材料體系,通過TDTR測量了材料垂直方向上的本征熱導(dǎo)率,發(fā)現(xiàn)ZrSiS單晶由于其c軸方向上較強的結(jié)合力作用而顯示出大于常見準(zhǔn)二維層狀材料的熱導(dǎo)率,表明該材料可用作于微電子器件的散熱以及界面的匹配材料;而Zr/HfTe5單晶材料具有準(zhǔn)一維和二維的結(jié)構(gòu)特征,在b軸方向上具有高密度的層間界面,導(dǎo)致其層間熱導(dǎo)率極低,使得該材料適用于器件的隔熱、保溫等方面的應(yīng)用�？偨Y(jié)這兩個體系的實驗測量與理論研究結(jié)果,我們發(fā)現(xiàn)元素調(diào)節(jié)可以實現(xiàn)層間距、層間作用力和熱傳導(dǎo)等方面的有效調(diào)制。因此,我們可以基于元素調(diào)節(jié)的思想實現(xiàn)材料的熱輸運和熱電性質(zhì)的人為調(diào)控,以設(shè)計和制備具有預(yù)期性質(zhì)的功能材料,為實現(xiàn)在熱電轉(zhuǎn)換、隔熱保溫、器件熱管理等方面的進(jìn)一步應(yīng)用打下堅實的材料基礎(chǔ)。
【學(xué)位單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TB383.4
【部分圖文】：

圖１．１邋（ａ）熱電材料的熱電發(fā)電效應(yīng)｜７丨。（ｂ）熱電材料的熱電制冷效應(yīng)丨７］。逡逑能源材料的應(yīng)用都是基于其能量的轉(zhuǎn)化效率，熱電材料的能量轉(zhuǎn)化效率可以用熱電逡逑優(yōu)值（Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ邋Ｆｉｇｕｒｅ邋ｏｆ邋Ｍｅｒｉｔ，邋ＺＴ）來衡量，公式為：逡逑ＺＴ邋＝邋＾￣＾￣邐（１－１）逡逑Ｋ逡逑其中：ｓ為塞貝克系數(shù)，ａ為電導(dǎo)率，ｒ為絕對溫度，Ｋ為熱導(dǎo)率。ｚｒ值越高，材料的逡逑熱電轉(zhuǎn)換能力也就越好［１２，邋１３］。但是由于決定ｚｒ值大小的各個參數(shù)之間是相互制約的，逡逑因此現(xiàn)在還很難找到一種行之有效的方法在不影響其他參量的同時去單獨調(diào)制其中一逡逑個量而提高材料的ｚｒ值［１４］�；冢蛑档墓剑话銇碚f，提高材料的熱電轉(zhuǎn)換效率逡逑的方式有兩種：一是提高材料的功率因子（＆Ｖ），二是降低材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)0ｃ）。然而，逡逑截至目前為止的文獻(xiàn)報道，材料在室溫下的Ｚｒ值最高也只能達(dá)到２．４，尚未達(dá)到符合逡逑商業(yè)大規(guī)模應(yīng)用的條件（Ｚ７＞３），因此尋找和研究能夠綜合提高熱電轉(zhuǎn)化效率的材料體逡逑系成為熱電領(lǐng)域發(fā)展的重點。逡逑

合溫度與時間的關(guān)系，最終就得到樣品的熱導(dǎo)率［６１］。逡逑接下來，簡單地介紹四種實驗室常見的熱導(dǎo)率測量方法，它們的測量結(jié)構(gòu)原理圖如逡逑圖１．４所示。逡逑１９８７年，Ｄ．邋Ｇ．邋Ｃａｈｉｌｌ第一次提出了主要應(yīng)用于測量體塊材料的３ｃｏ法，即對材料電逡逑極加上振蕩頻率為0）的交變電流，那么加熱功率的振蕩頻率為２0＞，同時溫度波動與電逡逑阻周期變化的振蕩頻率也是２ｃｏ，因此電流與電阻相乘得到了頻率為３？的電壓信號；逡逑通過分析該電壓信號與熱擴(kuò)散模型之間的對應(yīng)關(guān)系，就可以推導(dǎo)出材料的熱學(xué)性質(zhì)［６２］。逡逑簡而言之，３ｃｏ法就是將周期性的熱學(xué)響應(yīng)轉(zhuǎn)化為電學(xué)信號的檢測方法，由于電學(xué)信號逡逑的測量穩(wěn)定、精確，因而數(shù)據(jù)的采集和處理都會更加便捷準(zhǔn)確。早期的３ｃｏ法實驗測量逡逑工作都是圍繞體塊材料進(jìn)行，隨著測量手段的發(fā)展和進(jìn)步，如今的３（0法已經(jīng)能夠廣泛逡逑地應(yīng)用于規(guī)則納米材料熱導(dǎo)率的測量工作［６３

逑２．１．１邋ＴＤＴＲ的原理和搭建逡逑ＴＤＴＲ測量平臺的模擬圖如圖２．１所示。該實驗采用的激光器為飛秒激光器逡逑（丁丨：８３？？１１丨代），其脈沖激光寬度為１７０色、重復(fù)頻率為８０？＾？＾；在激光器出光口前，逡逑我們放置一個由光隔離器（Ｉｓｏｌａｔｏｒ）和半波片（Ｗａｖｅ邋Ｐｌａｔｅ）組成的光學(xué)隔離系統(tǒng)，激逡逑光經(jīng)過光學(xué)隔罔系統(tǒng)后，再經(jīng)過一個２邋ｍ焦距的準(zhǔn)直透鏡，然后被偏振分光鏡（Ｐｏｌａｒｉｚｅｄ逡逑Ｂｅａｍ邋Ｓｐｌｉｔｔｅｒ，邋ＰＢＳ）分成兩束偏振方向相互正交的激光，一束為栗浦光（Ｐｕｍｐ邋Ｂｅａｍ），逡逑一束為探測光（Ｐｒｏｂｅ邋Ｂｅａｍ）。分束后的泵浦光被電光調(diào)制器（ＥＯＭ）調(diào)制成周期性逡逑的射頻正弦波，接著經(jīng)過一個光學(xué)延遲器（Ｄｅｌａｙ邋Ｓｔａｇｅ，邋６００邋ｍｍ），以實現(xiàn)相對于探逡逑測光０？４邋ｎｓ的時間延遲，接著經(jīng)過第二個ＰＢＳ的反射后垂直入射到樣品表面。分束后逡逑的探測光先經(jīng)過光學(xué)斬波器（Ｃｈｏｐｐｅｒ）的調(diào)制（１８５邋Ｈｚ左右），再經(jīng)過一個５０：５０的逡逑分光鏡（Ｂｅａｍ邋Ｓｐｌｉｔｔｅｒ

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 詹斌;蘭金叻;劉耀春;丁靖軒;林元華;南策文;;氧化物熱電材料研究進(jìn)展[J];無機(jī)材料學(xué)報;2014年03期

2 張金花;余大斌;舒詩文;王峰;杜凱;;高溫氧化物熱電材料及其研究現(xiàn)狀[J];材料導(dǎo)報;2013年07期

本文編號：2834039