本文關鍵詞：Sn基籠合物結(jié)構穩(wěn)定性及電傳輸特性實驗與理論研究

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【摘要】：隨著能源危機和環(huán)境污染問題日益嚴重,發(fā)展無污染、可再生的新型能源材料已受到國內(nèi)外的高度重視,熱電材料也因此得到廣泛關注,但較低的轉(zhuǎn)化效率限制了該類材料在實際生活中的應用�；\合物由于表現(xiàn)出電子晶體和聲子玻璃(PGEC)的特征而有望成為實際應用的高效熱電材料。其中Sn基籠合物因其具有較大的框架半徑,能為填充原子提供較大振動空間而能明顯散射聲子降低其熱導率而被廣泛關注。研究者通過加壓和摻雜等方法,使籠合物的熱電性能得到大幅度提高,但其ZT值仍在1左右。因此,研究和開發(fā)高性能的Sn基熱電材料迫在眉睫。本論文采用理論與實驗相結(jié)合的方法研究Sn基籠合物的電子結(jié)構與熱電性能。理論上,通過第一性原理模擬了高壓和摻雜對材料電子結(jié)構的影響;實驗上,通過Sn自溶劑結(jié)合真空熔融緩冷技術法,按化學式Ba_8Ga_(16-x)Cu_xSn_(30)(x=0,1,2)的原子配比,稱量高純元素Ba(塊狀,99.9%),Ga(塊狀,99.999%),Sn(塊狀,99.999%)和Cu(塊狀,99.999%)后加熱到不同溫度,合成了I型和VIII型Ba_8Ga_(16-x)Cu_xSn_(30)(x=0,1,2),進而探究摻雜對籠合物熱電性能的影響,主要得出以下結(jié)論:通過第一性原理模擬計算Sr8Ga16Sn30結(jié)構和電子結(jié)構和壓強對其結(jié)構的影響。理論計算表明:VIII型Sr8Ga16Sn30是穩(wěn)定相,而I型是亞穩(wěn)定相,且I型和VIII型兩相之間不存在高壓相變;I型和VIII型Sr8Ga16Sn30都屬于間接帶隙半導體,I型的帶隙為0.125e V,VIII型帶隙為0.009e V;隨著壓強增大,帶隙變大,且壓強對I型Sr8Ga16Sn30的電子影響更明顯.采用Sn自溶劑法合成Cu摻雜I型和VIII型Ba_8Ga_(16-x)Cu_xSn_(30)(x=0,1,2)單晶樣品。XRD結(jié)果表明:Cu摻雜能提高I型單晶籠合物的合成溫度,且Cu初始含量越大,臨界合成溫度越高;電傳輸性質(zhì)分析表明:Cu摻雜雖然降低了樣品的Seeback系數(shù),但提高了電子的遷移率,從而改善了樣品的電導率;理論分析表明:隨著Cu摻雜,VIII型Ba8Cu Ga15Sn30的導帶基本不變,價帶整體向上移,顯示了金屬性。Cu4s對總的態(tài)密度貢獻較小,Cu3d電子主要分布在-3.0e V和-2.0 e V,顯示了Cu的局域性;此外,Cu3d在費米能級出現(xiàn)一個尖銳的峰,因此籠合物帶邊結(jié)構的改變主要是受Cu3d電子態(tài)的影響。采用Sn自溶劑法合成Cu摻雜I型和VIII型Ba_8Ga_(16-x)Cu_xSn_(30)(x=0,1)單晶樣品。采用XRD和DTA結(jié)合的方法分析籠合物的熱穩(wěn)定性,結(jié)果表明:I型Ba8Ga16Sn30在高溫下結(jié)構不穩(wěn)定,當被加熱到183℃時開始轉(zhuǎn)變?yōu)閂III型Ba8Ga16Sn30;而VIII型Ba8Ga16Sn30在高溫和冷卻過程中結(jié)構穩(wěn)定;隨著Cu的加入,導致結(jié)構的穩(wěn)定性降低,I型Ba_8Ga_(15)Cu_1Sn_(30)在加熱到170℃結(jié)構開始轉(zhuǎn)變?yōu)閂III型;而VIII型Ba_8Ga_(15)Cu_1Sn_(30)在加熱后冷卻過程中部分分解為Sn和Ba(Ga/Sn)4;I型樣品加溫冷卻后顯示VIII型籠合物電子傳導特征。
【關鍵詞】：熱電性能 熱穩(wěn)定性 Sn基籠合物 第一性原理
【學位授予單位】：云南師范大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TB34
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 第1章 緒論10-21
• 1.1 熱電材料研究的背景及意義10-11
• 1.2 熱電材料的發(fā)展回顧11-12
• 1.3 熱電效應的應用12-15
• 1.4 熱電材料的發(fā)展狀況15-17
• 1.4.1 低溫熱電材料15
• 1.4.2 中溫熱電材料15-16
• 1.4.3 高溫熱電材料16-17
• 1.5 籠合物的研究現(xiàn)狀17-20
• 1.5.1 I型籠合物的實驗研究現(xiàn)狀18-19
• 1.5.2 I型籠合物的理論研究現(xiàn)狀19
• 1.5.3 VIII型籠合物的研究現(xiàn)狀19-20
• 1.6 本論文研究目的和主要內(nèi)容20-21
• 第2章 研究方法與測試設備21-31
• 2.1 第一性原理21-22
• 2.1.1 密度泛函理論21-22
• 2.1.2 Materials studio22
• 2.2 實驗方法及測試設備22-26
• 2.2.1 單晶熱電材料制備22-23
• 2.2.2 樣品結(jié)構表征23-26
• 2.3 熱電材料的性能測量原理及方法26-31
• 2.3.1 Seebeck系數(shù)測量26-27
• 2.3.2 電導率的測試原理及設備27-28
• 2.3.3 Hall系數(shù)的測試原理及設備28-29
• 2.3.4 熱導率的測試原理及設備29-31
• 第3章 壓強對Sn基籠合物的結(jié)構和電子結(jié)構影響的研究31-38
• 3.1 理論計算方法與結(jié)構模型31-33
• 3.2 壓強對Sr_8Ga_(16)Sn_(30)的結(jié)構性質(zhì)的影響33-34
• 3.3 壓強對Sr_8Ga_(16)Sn_(30)電子結(jié)構的影響34-37
• 3.4 Ba_8Ga_16Cu_xSn_(30)與Sr_8Ga_(16)Sn_(30)結(jié)構的區(qū)別37
• 3.5 本章結(jié)論37-38
• 第4章 Sn基籠合物合成工藝和熱電性能的研究38-47
• 4.1 Ba_8Ga_(16-x)Cu_xSn_(30)單晶材料的實驗制備38-39
• 4.2 Ba_8Ga_(16-x)Cu_xSn_(30)結(jié)構表征及電學特性39-42
• 4.2.1 樣品結(jié)構及含量分析39-41
• 4.2.2 Sn基籠合物電傳輸特性41-42
• 4.3 理論計算方法和形成能42-44
• 4.4 Sn基籠合物電子結(jié)構性質(zhì)44-46
• 4.5 本章小結(jié)46-47
• 第5章 Cu摻雜對Sn基籠合物結(jié)構穩(wěn)定性影響的研究47-56
• 5.1 Cu摻雜Sn基籠合物的制備47-48
• 5.2 Cu摻雜Sn基籠合物熱穩(wěn)定性研究48-51
• 5.2.1 I型Sn籠合物結(jié)構穩(wěn)定性48-49
• 5.2.2 VIII型Sn籠合物結(jié)構穩(wěn)定性49-51
• 5.3 Sn基籠合物結(jié)構穩(wěn)定性的理論分析51-53
• 5.4 Sn基籠合物的電學性質(zhì)53-54
• 5.5 本章小結(jié)54-56
• 第6章 結(jié)論與展望56-58
• 6.1 主要結(jié)論56-57
• 6.2 未來工作展望57-58
• 參考文獻58-63
• 攻讀碩士學位期間發(fā)表的論文63-64
• 致謝64

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7 李奕l，

本文編號：988155