本文選題：ZnO + 熱電��； 參考：《北京科技大學》2017年博士論文

【摘要】：熱電材料在廢熱發(fā)電、空調及冰箱制冷等領域具有廣闊的應用前景,近年來受到了越來越大的關注。氧化物熱電材料具有抗氧化、耐高溫、并且無污染、無毒性、制備工藝簡單等特點,在中高溫熱電應用領域具有很大的應用潛力。本論文著眼于n型氧化鋅(ZnO)熱電材料,采用固相反應法(SSR)和水熱合成(HS)法制備化合物前驅粉體,采用放電等離子燒結法(SPS)制備多晶塊體材料,并通過Al、Ni、Ga等元素摻雜改性優(yōu)化載流子濃度,通過織構化與納微復合結構化設計優(yōu)化載流子遷移率、降低熱導率,達到優(yōu)化ZnO熱電性能目的。在不同的燒結溫度1173-1323K的條件下,通過SSR結合SPS技術制備了致密并且晶粒較小的Zn0.96Al0.04O塊體材料。隨著燒結溫度的增加,ZnAl2O4第二相含量逐漸增加。1223K時燒結樣品在823K時取得最大功率因子4.01×10~(-4)Wm-1K-2。1173K時燒結樣品因其較小的晶粒尺寸及ZnAl2O4第二相的偏析,在773K時取得較低熱導率2.42Wm-1K-1及最優(yōu)ZT值0.11。通過HS和SPS技術制備了織構化Al摻雜Zn_(1-x)AlxO(x=0,0.01,0.02,0.04)塊體。塊體樣品獲得了～0.6的織構度,因水熱過程中高的PH值8.5-9.0,A13+的固溶度較低,同時并未檢測到ZnAl2O4第二相�？棙嫎悠啡菀撰@得較高的電子遷移率,隨著測試溫度由373K增加至573K, Zn0.96Al0.04O樣品的電導率由68.2Scm-1增加至749.2Scm-1。最終,Zn0.96Al0.04O樣品在573K時取得最.大功率因子4.7x 10~(-4)Wm-1K-2。通過HS和SPS技術制備了織構化Al、Ni共摻雜Zn0.98-xAl0.02NixO(x=0,0.01,0.02,0.03,0.04)塊體。共摻雜的Ni2+在水熱過程中更易進入ZnO晶胞間隙位置并膨脹晶胞,導致粉體及塊體中A13+固溶度大幅度提升,并獲得較高的載流子濃度～1×1020cm-3。高的A13+固溶度及高的遷移率導致Zn0.97Al0.02Ni0.01O樣品在673K時取得最大功率因子6.16×10~(-4)Wm-1K-2,并在773K時取得最優(yōu)ZT值0.057。通過HS和SPS技術制備了納微復合結構的Zn_(1-x)GaxO(x=0,0.01,0.02,0.04)塊體。樣品獲得了較高的Ga3+固溶度,還獲得較高的載流子遷移率。x=0.01樣品,在773K時取得最大功率因子7.52x10~(-4)Wm-1K-2。粉體納微復合結構在塊體中的被保持,樣品獲得了較小的晶粒,增加了聲子的散射,減小了熱導率。x=0.04樣品,773K時取得最低熱導率5.15Wm-1K-1。x=0.02樣品,773K時取得最大ZT值0.067。通過HS和SPS技術制備了納微復合結構的Zn_(1-x)AlxO(x=0,0.02,0.03,0.04)塊體。納微復合結構樣品因存在納米共格晶界導致其獲得較高的載流子遷移率的同時降低熱導率。x=0.02樣品常溫下獲得了最高的載流子遷移率50.7cm2V-1s-1和載流子濃度1.5×1020cm-3,該樣品的載流子遷移率已接近單晶的遷移率。x=0.04樣品在1073K時取得最低熱導率1.60Wm-1K-1。x=0.02樣品在1073K時取得最優(yōu)ZT值0.36。通過HS和SPS技術制備了C摻雜ZnO熱電陶瓷。作為C源的TEA在SPS過程中,電離出C~(x+)和Cx-,進入ZnO晶胞。相比于未摻雜ZnO樣品,C摻雜ZnO樣品的可見光光吸收增加,禁帶寬度減小,功率因子提升約1.5倍。
[Abstract]:Thermoelectric materials have wide application prospects in waste heat generation, air conditioning and refrigerator refrigeration, etc. In recent years, more and more attention has been paid to thermoelectric materials. Oxide thermoelectric materials have many advantages, such as oxidation resistance, high temperature resistance, no pollution, no toxicity, simple preparation process and so on, so they have great application potential in the field of medium and high temperature thermoelectric applications. In this paper, the precursor powder of compound was prepared by solid state reaction method (SSRs) and hydrothermal synthesis (HSS) method, and the polycrystalline bulk material was prepared by spark plasma sintering (SPS) method. The carrier concentration was optimized by doping Al _ 2O _ 3 and Ni _ 2O _ Ga, the carrier mobility was optimized by texturing and nanocomposite structured design, the thermal conductivity was reduced, and the thermoelectric properties of ZnO were optimized. At different sintering temperatures of 1173-1323K, compact and smaller Zn0.96Al0.04O bulk materials were prepared by SSR and SPS technique. With the increase of sintering temperature, the second phase content of ZnAl _ 2O _ 4 increases gradually. At 823K, the sintered sample obtains the maximum power factor 4.01 脳 10~(-4)Wm-1K-2.1173K, because of its smaller grain size and segregation of the second phase of ZnAl2O4, the lower thermal conductivity 2.42Wm-1K-1 and the optimum ZT value 0.11 are obtained at 773K. The textured Al-doped ZnSZ 1-xOXOXOXOXOX 00.01OXOXOXOX (00.01) bulk was prepared by means of HS and SPS techniques. The bulk samples obtained a texture of 0. 6, and the high PH value of 8. 5-9. 0 A _ (13) in hydrothermal process was relatively low, and the second phase of ZnAl2O4 was not detected at the same time. It is easy to obtain high electron mobility for textured samples. With the increase of testing temperature from 373K to 573K, the conductivity of Zn0.96Al0.04O samples increases from 68.2Scm-1 to 749.2Scm-1. The final Zn0.96Al0.04O sample was obtained at 573K. High power factor 4.7x 10 ~ (-4) W ~ (m-1K ~ (-2)). Co-doped Zn0.98-xAl0.02NixOOXOXOOXOOXOXOOXOXO (0. 01 ~ 0. 01 ~ 0. 02 ~ 0. 03 ~ 0. 04) bulk with textured Alnu Ni was prepared by means of HS and SPS techniques. It is easier for co-doped Ni2 to enter the intercellular gap of ZnO and expand the cell during hydrothermal process, which leads to a large increase in the solid solubility of A13 in powders and bulk, and a higher carrier concentration of 1 脳 1020cm-3. The high solubility of A13 and high mobility resulted in the maximum power factor of 6.16 脳 10 ~ (-4) Wm-1K-2 at 673K and the optimal ZT value of 0.057 at 773K. The nanocomposite ZnS _ (1-x) _ (x) _ (x) _ (0. 01) ~ (0. 02) ~ (0.04) bulk was prepared by means of HS and SPS techniques. The sample obtained higher Ga3 solid solubility and higher carrier mobility. At 773K, the maximum power factor of 7.52x10m-1 K-2 was obtained. The nanocrystalline nanocomposite structure was kept in the bulk, and the sample obtained smaller grain size, increased phonon scattering, and reduced the thermal conductivity of the sample at 773K. The maximum ZT value was 0.067 when the lowest thermal conductivity of 5.15Wm-1K-1.x=0.02 sample was obtained at 773K. The nanocomposite ZnS _ (1-x) Al _ (x) O _ (x) O _ (00.02) O _ (0.03) _ (0.04) bulk has been prepared by HS and SPS techniques. The nanocrystalline composite structure samples obtained high carrier mobility due to the existence of nanoscale lattice grain boundaries and decreased the thermal conductivity. X0. 02. The highest carrier mobility 50.7cm2V-1s-1 and carrier concentration 1.5 脳 1020cm-3 were obtained at room temperature. The mobility of streamon is close to that of single crystal. X0. 04 samples obtain the lowest thermal conductivity at 1073 K. The optimal ZT value of 1.60Wm-1K-1.x=0.02 sample at 1073 K is 0.36. C-doped ZnO thermoelectric ceramics were prepared by HS and SPS techniques. TEA, as a C source, ionizes CX and Cx-in the SPS process and enters the ZnO cell. Compared with the undoped ZnO samples, the visible light absorption of C doped ZnO samples increased, the band gap decreased and the power factor increased about 1.5 times.
【學位授予單位】：北京科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TQ174.1

【相似文獻】

相關期刊論文 前10條

1 王繼揚,劉紅,魏景謙,胡小波,劉躍崗;熱電材料的研究及進展[J];人工晶體學報;2000年S1期

2 戴聞;熱電材料研究又成熱點[J];物理;2000年03期

3 朱文,楊君友,崔昆,張同俊;熱電材料在發(fā)電和制冷方面的應用前景及研究進展[J];材料科學與工程;2002年04期

4 馬秋花,趙昆渝,李智東,劉國璽,葛偉萍;熱電材料綜述[J];電工材料;2004年01期

5 張麗鵬;于先進;肖曉明;;熱電材料的研究進展[J];現(xiàn)代技術陶瓷;2006年03期

6 陳東勇;應鵬展;崔教林;毛立鼎;于磊;;熱電材料的研究現(xiàn)狀及應用[J];材料導報;2008年S1期

7 高峰;;前景廣闊的熱電材料[J];太陽能;2008年10期

8 張育生;趙昆渝;李智東;吳東;鄒平;;熱電材料的研究現(xiàn)狀[J];有色金屬加工;2008年01期

9 周金金;張文麗;;熱電材料的現(xiàn)狀及特點[J];河北理工大學學報(自然科學版);2009年02期

10 ;福建物構所新穎熱電材料探索研究獲重要進展[J];中國材料進展;2009年05期

相關會議論文 前10條

1 李來風;周敏;;低溫熱電材料的研究進展及應用展望[A];2011中國材料研討會論文摘要集[C];2011年

2 劉艷春;曾令可;任雪潭;稅安澤;王慧;;熱電材料的研究現(xiàn)狀及展望[A];中國硅酸鹽學會陶瓷分會2005學術年會論文專輯[C];2005年

3 朱品文;李璐;楊雪;;高壓在熱電材料研究中的應用[A];2011中國材料研討會論文摘要集[C];2011年

4 莫基彬;趙鵬飛;霍鳳萍;武偉名;徐桂英;;熱壓制備ErxY14-xFeyMn1-ySb11熱電材料及性能研究[A];2011中國材料研討會論文摘要集[C];2011年

5 ;熱電材料[A];2010中國材料研討會論文摘要集[C];2010年

6 陳柔剛;楊君友;朱文;;氧化物熱電材料的研究進展[A];第五屆中國功能材料及其應用學術會議論文集Ⅲ[C];2004年

7 楊君友;張建生;朱云峰;劉正來;;多尺度熱電材料的性能測試及表征研究進展[A];2011中國材料研討會論文摘要集[C];2011年

8 王雷;賈小樂;王大剛;;聚噻吩/碳納米管復合熱電材料的制備與熱電性能研究[A];2012年全國高分子材料科學與工程研討會學術論文集（上冊）[C];2012年

9 張麗娟;張波萍;葛振華;李敬鋒;;Bi_2S_3/AgBiS_2復合熱電材料的制備及性能研究[A];第十七屆全國高技術陶瓷學術年會摘要集[C];2012年

10 ;熱電材料及其應用[A];2009中國材料研討會會議程序和論文摘要集[C];2009年

相關重要報紙文章 前10條

1 ;熱電材料及其應用[N];科技日報;2004年

2 汪海;華東師大取得熱電材料研究新進展[N];上�？萍紙�;2009年

3 記者 劉霞;摻雜稀土讓熱電材料轉換率提高25%[N];科技日報;2011年

4 王小龍;新型熱電材料可將汽車廢熱轉為電能[N];科技日報;2011年

5 本報記者 何屹;微波技術可低成本制備熱電材料[N];科技日報;2011年

6 華凌;創(chuàng)新型熱電材料轉換效率創(chuàng)世界紀錄[N];科技日報;2012年

7 張小明;神奇的熱電材料[N];中國知識產(chǎn)權報;2001年

8 本報記者 薛飛;“熱變電”時代或將不再是傳說[N];中國知識產(chǎn)權報;2012年

9 英國諾丁漢大學地理系博士 康夫;太陽能新出路[N];第一財經(jīng)日報;2011年

10 任紅軒;納米熱電材料獲重大突破[N];中國礦業(yè)報;2004年

相關博士學位論文 前10條

1 王華棟;典型氧化物及籠合物熱電材料的制備及性能研究[D];東北大學;2014年

2 孫海瑞;復合摻雜型CoSb_3基熱電材料的高溫高壓制備及其性能研究[D];吉林大學;2016年

3 李靜;BaCu_2Se_2和BiCuSeO熱電材料的摻雜及織構化改性[D];哈爾濱工業(yè)大學;2015年

4 章婷;熱電材料缺陷結構的正電子湮沒研究[D];武漢大學;2015年

5 張代兵;ZnO基熱電材料的摻雜改性及微結構調控[D];北京科技大學;2017年

6 魏杰;若干塊體及低維熱電材料輸運性質的理論計算研究[D];武漢大學;2016年

7 羅裕波;黃銅礦結構CuInTe_2基熱電材料研究[D];華中科技大學;2016年

8 孫兵;Si基和Ge基籠合物熱電材料的高壓制備和性能優(yōu)化[D];吉林大學;2017年

9 張永忠;多納米組元摻雜的Mg_2Si基熱電材料的制備及其與Ni/Cu復合電極的擴散連接[D];太原理工大學;2016年

10 譚晴;Sn-S基化合物熱電材料的制備及其性能[D];清華大學;2016年

相關碩士學位論文 前10條

1 李曉笑;熱電材料熱性能測量研究[D];內(nèi)蒙古大學;2015年

2 王震;熱電材料參數(shù)測量方法的研究[D];山東大學;2015年

3 周競超;ZnSb基熱電材料的組織結構與熱電性能[D];哈爾濱工業(yè)大學;2015年

4 姬鵬霞;多孔Ca_3Co_4O_9熱電材料的稀土摻雜及性能研究[D];新疆大學;2015年

5 郭亞博;熱電材料熱沖擊阻力性能的研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2015年

6 曬旭霞;β-Zn_4Sb_3單晶熱電材料的制備、熱穩(wěn)定性及電傳輸特性研究[D];云南師范大學;2015年

7 魏洪月;具有低熱導率熱電材料的第一性原理研究[D];杭州電子科技大學;2015年

8 李帆;PbSe熱電材料的制備與性能優(yōu)化[D];南華大學;2014年

9 宋子s，

本文編號：1793852