Fe和Ag-Fe摻雜Ca3Co4O9熱電性能研究.pdf

1、Ca3Co4O9材料是目前發(fā)現(xiàn)的具有較好熱電性能的熱電氧化物之一，為了進一步提高材料的熱電性能，人們對其進行了大量制備工藝及摻雜的研究。本文主要采用溶膠-凝膠法結(jié)合常壓燒結(jié)工藝對Ca3Co4O9材料進行摻雜，分別為Co位單摻Fe，以及Ca位摻Ag與Co位摻Fe的雙摻雜，研究摻雜對Ca3Co4O9材料結(jié)構(gòu)與熱電性能的影響。主要結(jié)果如下:
　　 利用溶膠-凝膠法結(jié)合常壓燒結(jié)工藝制備出了Ca3Co4O9，通過SEM觀測可看出其晶粒細小

2、，分布均勻。溫度在室溫到389K之間時，電阻率隨溫度的升高而增大呈現(xiàn)金屬特性，在389K～635K之間，電阻率隨溫度的升高而減小，表現(xiàn)為半導(dǎo)體特性，溫度在635K以上時，電阻率隨溫度升高而明顯增大，這是由于測試條件造成氧脫附以及晶格散射增強，導(dǎo)致電阻率隨溫度的增加而升高。Seebeck系數(shù)為正值，說明其為P型半導(dǎo)體，Seebeck系數(shù)隨溫度的升高而反常增大，可能與聲子的引曳效應(yīng)有關(guān)。
　　 采用溶膠-凝膠法結(jié)合常壓燒結(jié)工藝制備C

3、a3Co4-xFexO9(0≤x≤0.40)樣品，各摻雜樣品的XRD圖譜與Ca3Co4O9標(biāo)準(zhǔn)譜基本一致;通過SEM形貌分析，各摻雜樣品的層狀結(jié)構(gòu)不明顯，晶粒尺寸收縮變小，無序度增強;Co位摻Fe并沒有改變樣品的導(dǎo)電機制，樣品仍為P型半導(dǎo)體，但是躍遷激活能發(fā)生改變，表明Fe部分替代了CoO2層中的Co位;摻雜Fe降低樣品電阻率的同時Seebeck系數(shù)得到提高，熱導(dǎo)率也有不同程度的降低;x=0.10為最佳摻雜濃度，其樣品功率因子在室溫時為

4、93μW·m-1·K-2約為未摻樣品（P=39(μW)·m-1·K-2）的2.4倍，溫度為873K時，樣品Ca3Co3.9Fe0.1O9的ZT值達到0.121，是未摻雜樣品的1.88倍。
　　 采用溶膠-凝膠法結(jié)合常壓燒結(jié)工藝對Ag和Fe的雙摻雜樣品Ca2.7Ag0.3Co4-xFexO9(0≤x≤0.40)進行研究。由雙摻雜樣品的XRD圖譜可知，衍射峰向高角度偏移，說明摻雜使樣品晶格發(fā)生畸變。雙摻雜使得材料的電阻率顯著降低，當(dāng)

5、x=0.10時，室溫下的電阻率為13.1m·Ω·cm，與單摻Ag樣品相比降低了20.6％，與未摻雜樣品相比下降44％;雙摻雜樣品的Seebeck系數(shù)有小幅度的改變，雖然有的摻雜樣品的熱導(dǎo)率升高，但各摻雜樣品整體的熱電性能均有不同程度的提高;在973K時，x=0.10樣品的功率因子達176(μW)·m-1·K-2，與單摻Ag樣品的功率因子相比提高了13.5％，是未摻雜樣品功率因子的1.5倍;溫度在873K時，x=0.30樣品的熱導(dǎo)率為1.

6、13W·m-1·K-1，ZT值達0.123，高于單摻同濃度Fe的樣品，為單摻Ag樣品的1.58倍，為未摻雜樣品的1.91倍。而x=0.10樣品的ZT值為0.084，對比單摻同濃度Fe的樣品(ZT=0.121)有所降低。
　　 研究結(jié)果表明，Co位單摻Fe能顯著提高Ca3Co4O9材料熱電性能。Co位摻Fe和Ca位摻Ag的雙摻雜使材料的熱電性能在單摻Fe的基礎(chǔ)上有一定的提高。對雙摻雜元素種類和組分選擇的詳細研究有可能成為進一步提高