本文選題：ZnO + 熱電　； 參考：《北京科技大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：熱電材料在廢熱發(fā)電、空調(diào)及冰箱制冷等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景,近年來受到了越來越大的關(guān)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(diǎn),在中高溫?zé)犭姂?yīng)用領(lǐng)域具有很大的應(yīng)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(yīng)法(SSR)和水熱合成(HS)法制備化合物前驅(qū)粉體,采用放電等離子燒結(jié)法(SPS)制備多晶塊體材料,并通過Al、Ni、Ga等元素?fù)诫s改性優(yōu)化載流子濃度,通過織構(gòu)化與納微復(fù)合結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)優(yōu)化載流子遷移率、降低熱導(dǎo)率,達(dá)到優(yōu)化ZnO熱電性能目的。在不同的燒結(jié)溫度1173-1323K的條件下,通過SSR結(jié)合SPS技術(shù)制備了致密并且晶粒較小的Zn0.96Al0.04O塊體材料。隨著燒結(jié)溫度的增加,ZnAl2O4第二相含量逐漸增加。1223K時(shí)燒結(jié)樣品在823K時(shí)取得最大功率因子4.01×10~(-4)Wm-1K-2。1173K時(shí)燒結(jié)樣品因其較小的晶粒尺寸及ZnAl2O4第二相的偏析,在773K時(shí)取得較低熱導(dǎo)率2.42Wm-1K-1及最優(yōu)ZT值0.11。通過HS和SPS技術(shù)制備了織構(gòu)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(gòu)度,因水熱過程中高的PH值8.5-9.0,A13+的固溶度較低,同時(shí)并未檢測到ZnAl2O4第二相。織構(gòu)樣品容易獲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(dǎo)率由68.2Scm-1增加至749.2Scm-1。最終,Zn0.96Al0.04O樣品在573K時(shí)取得最.大功率因子4.7x 10~(-4)Wm-1K-2。通過HS和SPS技術(shù)制備了織構(gòu)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(jìn)入ZnO晶胞間隙位置并膨脹晶胞,導(dǎo)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(dǎo)致Zn0.97Al0.02Ni0.01O樣品在673K時(shí)取得最大功率因子6.16×10~(-4)Wm-1K-2,并在773K時(shí)取得最優(yōu)ZT值0.057。通過HS和SPS技術(shù)制備了納微復(fù)合結(jié)構(gòu)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(shí)取得最大功率因子7.52x10~(-4)Wm-1K-2。粉體納微復(fù)合結(jié)構(gòu)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(dǎo)率。x=0.04樣品,773K時(shí)取得最低熱導(dǎo)率5.15Wm-1K-1。x=0.02樣品,773K時(shí)取得最大ZT值0.067。通過HS和SPS技術(shù)制備了納微復(fù)合結(jié)構(gòu)的Zn_(1-x)AlxO(x=0,0.02,0.03,0.04)塊體。納微復(fù)合結(jié)構(gòu)樣品因存在納米共格晶界導(dǎo)致其獲得較高的載流子遷移率的同時(shí)降低熱導(dǎo)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(shí)取得最低熱導(dǎo)率1.60Wm-1K-1。x=0.02樣品在1073K時(shí)取得最優(yōu)ZT值0.36。通過HS和SPS技術(shù)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(jìn)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(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TQ174.1

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本文編號：1793852