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Bi系Co基氧化物系热电陶瓷与薄膜制备

作　者: 陈平宇
导　师: 赵昆渝
学　校: 昆明理工大学
专　业: 材料学
关键词: 热电材料 Bi系Co基氧化物 Bi2SrCaCo20δ热电薄膜 激光感生电压
分类号: TQ174.7
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


热电材料作为一种能够实现热能和电能间直接转换的功能材料,其研究越来越受到重视。氧化物热电材料与其他的热电材料相比较具有耐高温、抗氧化、稳定性好、无污染、成本低等优点,成为目前研究的热点之一。Bi系Co基氧化物热电材料是Misfit-layered型氧化物热电材料中的重要类型。单晶的Bi2Sr2Co2Oδ具有优良的热电性能(在1000K时,ZT>1.1),但是要获得足够大的单晶是比较困难的,所以通过不同方法提高其多晶体的热电性能成为目前的研究重点。本论文对Bi2SrCaCo2Oδ和Bi2Ca2Co2Oδ氧化物热电材料的制备工艺进行了优化,研究了其结构特征和电学性能,并制备了Bi2SrCaCo2Oδ热电薄膜,并对其LIV信号进行分析。论文研究内容主要分为以下几个部分。本实验以Bi2O3、Co2O3、SrCO3、CaCO3为原料,采用传统固相反应法制备Bi2SrCaCo2Oδ和Bi2Ca2Co2Oδ多晶陶瓷材料,通过改变烧结工艺制度制得一系列不同的的多晶陶瓷,然后通过X射线衍射分析和金相分析,从物相和样品显微形貌的角度筛选出较适合的工艺方法为：预烧温度为850℃,保温6h,最高烧结温度为870℃,烧结保温时间为8h(Bi2SrCaCo2Oδ陶瓷)和预烧温度为860℃,保温6h,最高烧结温度为880℃,烧结保温时间为8h(Bi2Ca2Co2Oδ陶瓷),升温速率均为150℃/h。采用X射线衍射分析,电子衍射花样对比研究Bi2SrCaCo2Oδ和Bi2Ca2Co2Oδ材料的物相和晶体结构；采用扫描电子显微镜和能谱仪研究显微组织形貌和表面元素定量分析；采用标准四探针法测试样品的电学性能。结果表明：Bi2SrCaCo2Oδ材料晶胞参数为：c=1.481nm, a=0.520nm, bRS=0.502nm, bH=0.295nm,失配度bRS/bH=1.702; Bi2Ca2Co2Oδ材料晶胞参数为：c=1.467nm,a=0.513nm, bRS=0.491nm, bH=0.291nm,失配度bRS/bH=1.687。Ca替代Sr后样品晶胞参数减小,但仍然呈现岩盐型层片状晶体结构,具有明显的c轴择优取向。电阻率-温度关系图显示,样品为典型的半导体特性。采用脉冲激光沉积技术(PLD)在Al2O3单晶衬底上制备了Bi2SrCaCo2Oδ热电薄膜,研究衬底温度、激光强度、氧压等参数对薄膜生长质量的影响。采用XRD对制备出的一系列薄膜样品测试,选出较佳的制膜工艺为：衬底温度780℃、镀膜氧压40Pa、镀膜时间8min、退火氧压3000Pa和激光强度280mJ,采用快速降温的方法。在倾斜Al2O3单晶衬底上制备了Bi2SrCaCo2Oδ热电薄膜,并测试其LIV信号。研究发现,对于倾斜角度相同取向不同的样品其LIV信号不同,对于同一倾斜方向不同角度的样品角度越大LIV信号越大。同时也研究了激光能量等对LIV信号的影响。

全文目录


摘要  3-5Abstract  5-7目录  7-9第一章 绪论  9-30  1.1 引言  9  1.2 热电学研究的历史  9-10  1.3 热电效应  10-13    1.3.1 Seebeck效应  11-12    1.3.2 Peltier效应  12    1.3.3 Thomosn效应  12-13  1.4 表征热电材料的性能参数  13-15  1.5 提高热电性能的主要途径  15-18  1.6 热电材料的种类及研究进展  18-23  1.7 氧化物热电材料  23-28    1.7.1 Misfit-layered型氧化物热电材料  23-27    1.7.2 钙钛矿结构氧化物热电材料  27-28    1.7.3 TCO氧化物热电材料  28  1.8 本课题研究的意义及目的  28-30第二章 实验方法  30-36  2.1 实验原料及设备  30-31  2.2 实验流程与样品制备  31-33  2.3 陶瓷样品汇总表  33-34  2.4 样品测试与分析  34-36第三章 Bi_2SrCaCo_2O_δ和Bi_2Ca_2Co_2O_δ氧化物热电材料的制备工艺研究  36-47  3.1 Bi_2SrCaCo_2O_δ氧化物热电材料的制备工艺研究  36-43    3.1.1 Bi_2SrCaCo_2O_δ陶瓷样品XRD图谱分析  36-40    3.1.2 Bi_2SrCaCo_2O_δ陶瓷样品金相分析  40-42    3.1.3 Bi_2SrCaCo_2O_δ陶瓷样品SEM分析  42-43  3.2 Bi_2Ca_2Co_2O_δ氧化物热电材料的制备工艺  43-46  3.3 本章小结  46-47第四章 Bi_2SrCaCo_2O_δ和Bi_2Ca_2Co_2O_δ氧化物热电材料结构替代与性能研究  47-58  4.1 Bi_2SrCaCo_2O_δ和Bi_2Ca_2Co_2O_δ氧化物热电材料XRD图谱分析  47-50  4.2 Bi_2SrCaCo_2O_δ和Bi_2Ca_2Co_2O_δ氧化物热电材料电子衍射花样分析  50-53    4.2.1 Bi_2SrCaCo_2O_δ和Bi_2Ca_2Co_2O_δ样品电子衍射花样的标定  50-52    4.2.2 Bi_2SrCaCo_2O_δ和Bi_2Ca_2Co_2O_δ样品点阵参数计算  52-53  4.3 Bi_2SrCaCo_2O_δ和Bi_2Ca_2Co_2O_δ样品SEM分析  53-54  4.4 Bi_2SrCaCo_2O_δ和Bi_2Ca_2Co_2O_δ样品EDS分析  54-55  4.5 Bi_2SrCaCo_2O_δ和Bi_2Ca_2Co_2O_δ样品电学性能分析  55-56  4.6 本章小结  56-58第五章 Bi_2SrCaCo_2O_δ热电薄膜的制备和激光感生电压LIV信号测试  58-74  5.1 Bi_2SrCaCo_2O_δ热电薄膜的制备  58-68    5.1.1 脉冲激光沉积技术(PLD)简介  58-60    5.1.2 薄膜制备工艺流程  60-61    5.1.3 Bi_2SrCaCo_2O_δ薄膜的制备  61-66    5.1.4 Bi_2Ca_2Co_2O_δ薄膜的制备  66-68  5.2 Bi_2SrCaCo_2O_δ热电薄膜的激光感生电压(LIV)信号测试  68-73    5.2.1 激光感生电压(LIV)效应简介及原理  68-69    5.2.2 Bi_2SrCaCo_2O_δ薄膜激光感生电压(LIV)测试  69-70    5.2.3 单脉冲激光的能量对激光感生电压信号的影响  70-71    5.2.4 衬底倾斜角度和倾斜方向对激光感生电压信号的影响  71-73  5.3 本章小结  73-74第六章 结论  74-76致谢  76-77参考文献  77-82附录A 攻读硕士学位期间发表的文章  82

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中图分类: > 工业技术 > 化学工业 > 硅酸盐工业 > 陶瓷工业 > 陶瓷制品
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