三价离子掺杂5-6族热电材料

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热电材料(全面的)

热电材料(全面的)

热电材料thermoelectric material将不同材料的导体连接起来,并通入电流,在不同导体的接触点——结点,将会吸收(或放出)热量.1834年,法国物理学家佩尔捷(J.C.A.Peltier)发现了上述热电效应.1838年,俄国物理学家楞次(L.Lenz)又做出了更具显示度的实验:用金属铋线和锑线构成结点,当电流沿某一方向流过结点时,结点上的水就会凝固成冰;如果反转电流方向,刚刚在结点上凝成的冰又会立即熔化成水.热电效应本身是可逆的.如果把楞次实验中的直流电源换成灯泡,当我们向结点供给热量,灯泡便会亮起来.尽管当时的科学界对佩尔捷和楞次的发现十分重视,但发现并没有很快转化为应用.这是因为,金属的热电转换效率通常很低.直到20世纪50年代,一些具有优良热电转换性能的半导体材料被发现,热电技术(热电制冷和热电发电)的研究才成为一个热门课题.目前,在室温附近使用的半导体制冷材料以碲化铋(Bi2Te3)合金为基础.通过掺杂制成P 型和N型半导体.如前所述,将一个P型柱和一个N型柱用金属板连接起来,便构成了半导体制冷器的一个基本单元,如果在结点处的电流方向是从N型柱流向P型柱,则结点将成为制冷单元的“冷头”(温度为Tc),而与直流电源连接的两个头将是制冷单元的“热端”(温度为Th). N型半导体的费米能级EF位于禁带的上部,P型的则位于禁带的下部.当二者连接在一起时,它们的费米能级趋于“持平”.于是,当电流从N型流向P型时(也就是空穴从N到P;电子从P到N),载流子的能量便会升高.因此,结点作为冷头就会从Tc端吸热,产生制冷效果.佩尔捷系数,其中是单位时间内在结点处吸收的热量,I是电流强度,Π的物理意义是,单位电荷在越过结点时的能量差.在热电材料研究中,更容易测量的一个相关参数是泽贝克(Seebeck)系数α,,其中T是温度.显然,α描述单位电荷在越过结点时的熵差.对于制冷应用来说,初看起来,电流越大越好,佩尔捷系数(或泽贝克系数)越大越好.不幸的是,实际非本征半导体的性质决定了二者不可兼得:电流大要求电导率σ高,而σ和α都是载流子浓度的函数.随着载流子浓度的增加,σ呈上升趋势,而α则下跌,结果ασ只可能在一个特定的载流子浓度下达到最大(注:由热激活产生的电子-空穴对本征载流子,对提高热电效益不起作用).半导体制冷单元的P型柱和N型柱,都跨接在Tc和Th之间.这就要求它们具有大的热阻.否则,将会加大Tc和Th间的漏热熵增,从而抵消从Tc端吸热同时向Th端放热的制冷效果.最终决定热电材料性能优劣的是组合参数,其中κ是材料的热导率.参数Z和温度T的乘积ZT无量纲,它在评价材料时更常用.目前,性能最佳的热电材料,其ZT值大约是1.0.为要使热电设备与传统的制冷或发电设备竞争,ZT值应该大于2.Glen Slack把上述要求归纳为“电子-晶体和声子-玻璃”.也就是说,好的热电材料应该具有晶体那样的高电导和玻璃那样的低热导.在长程有序的晶体中,电子以布洛赫波的方式运动.刚性离子实点阵不会使传导电子的运动发生偏转.电阻的产生来源于电子同杂质、晶格缺陷以及热声子的碰撞.因此,在完善的晶体中σ可以很大.半导体中的热导包含两方面的贡献:其一由载流子(假定是电子)的定向运动引起的(κe);其二是由于声子平衡分布集团的定向运动(κp).根据维德曼-弗兰兹定律,κe∝σ.人们不可能在要求大σ的同时,还要求小的κe.减小热导的潜力在于减小κp,它与晶格的有序程度密切相关:在长程有序的晶体中,热阻只能来源于三声子倒逆(umklapp)过程和缺陷、边界散射;在非晶态玻璃结构中,晶格无序大大限制了声子的平均自由程,从而添加了对声子的散射机制.因此,“声子-玻璃”的热导率κ可以很低.以无量纲优值系数ZT来衡量热电材料:BiSb系列适用于50—150K温区;Bi2Te3系列适用于250—500K;PbTe系列适用于500—800K;SiGe系列适用于1100—1300K.低温热电器件(T≤220K)主要用于冷却计算机芯片和红外探测器.高温热电设备可将太阳能和核能转化成电能,主要用于航天探测器和海上漂浮无人监测站的供电.最近,氟里昂制冷剂的禁用,为半导体制冷的发展提供了新的契机.1998年秋季在美国波士顿召开的材料研究学会(MRS)学术会议上,热电材料研究再一次成为讨论的热点.Brian Sales等研究了一类新型热电材料,叫作填隙方钴矿锑化物(filled skutterudite antimonides).未填隙时,材料的化学式是CoSb3(或Co4Sb12).晶体中每个Co4Sb12结构单元包含一个尺寸较大的笼形孔洞.如果将稀土原子(例如La)填入笼形孔洞,则化学式变为LaCo4Sb12.由于La原子处于相对宽松的空间内,它的振动幅值也较大.于是,在LaCo4Sb12中,Co4Sb12刚性骨架为材料的高电导提供了基础,而稀土La在笼中的振动加强了对声子的散射——减小了材料的热导.B.Sales 的工作朝着“电子-晶体和声子-玻璃”的方向迈出了第一步.高压(~2GPa)技术已经被用于改进热电材料的性能.如果在高压下观察到了母材料性能的改善,人们将可以通过化学掺杂的办法获得类似的结构,并将它用于常压条件下.ZrNiSn的σ和α都很高,但它的热导率κ并不低.或许可以通过加入第4或第5组元,增强对声子的“质量涨落散射”,达到减小热导的目的.准晶的结构复杂多变,具有“声子-玻璃”的性能.有关研究的重点是改善准晶的导电性能.将纳米金属(Ag)嵌入导电聚合物,当电流流过这种复合材料时,可以产生大的温度梯度.对此,还没有理论上的解释.有两种低维热电材料具有应用前景:CsBi4Te6实际上就是填隙的Bi2Te3;硒(Se)掺杂的HfTe5,在T<220K的温区,其泽贝克系数α远远超出了Bi2Te3.此外,薄膜、人工超晶格、纳米碳管、Bi纳米线和量子阱系统、类猫眼结构等都展现出了在改进热电材料性能方面的潜力.热电效应所谓的热电效应,是当受热物体中的电子(洞),因随着温度梯度由高温区往低温区移动时,所产生电流或电荷堆积的一种现象。

Sb2Te3基热电材料简介--李特

Sb2Te3基热电材料简介--李特

Sb2Te3基热电材料简介学院:理学院专业:光信息科学与技术姓名:李特学号: 0836005前言材料的热电效应(又称温差电效应),是电能与热能之间的相互耦合转换,从发现热电现象至今己有近200年的历史,然而真正将这一现象发展为有实用意义的能量转换技术与装置则是在20世纪50年代。

热电材料(又称温差电材料)是将热能和电能进行转换的功能材料,在热电发电和制冷、恒温控制与温度测量等领域都有极为广阔的应用前景。

利用热电材料制成热电器件能够实现“热.电”的直接转换。

热电器件具有很多独特的优点,如结构紧凑、没有运动部件、工作无噪声、无污染、安全不失效等,在少数尖端科技领域己经获得了成功的应用。

近年来,随着计算机技术、航天技术、微电子技术、超导技术的发展,能源与环境危机的加剧,迫切需要小型、静态且能固定安装的寿命长的制冷装置和温差发电装置。

与此同时,热电理论的发展和对热电材料实际应用研究的不断深入,热电学研究显示出了更为广泛的应用前景和发展潜力。

热电转换技术是利用半导体材料的Seebeck效应将热能转换成电能的一种新的能源转换和发电技术。

因此,热电转换技术作为一种新型的、环境友好型能源转换技术,由于其可望广泛应用于大量而分散存在的低密度热能(如太阳热、垃圾燃烧余热、工厂排热、以及汽车尾气排热等)的热电发电,而引起世界各国特别是发达国家的高度重视。

一、热电学的基本理论热电效应是由温差引起的电效应和电流引起的可逆热效应的总称。

包括Seekbeck效应、Peltier效应和Thomson效应。

1823年,Thomas Seebeck首次发现了金属的热电效应,也称作Seebeck效应,从而开始了人类对热电材料的研究和应用。

1.1 Seebeck效应早在1821年,德国科学家Seebeck发现在锑和铜两种材料组成的回路中,当两个接点处于不同温度时,回路中便有电流流过。

产生这种电流的电动势称为温差电动势,这种现象称为赛贝克效应(Seebeckeffect),简单的讲就是通过材料的Seebeck效应将热能直接转变为电能。

热电材料分类

热电材料分类

热电材料分类热电材料是一种能够实现热能和电能相互转换的材料,广泛应用于能源转换、温度控制、热电制冷等领域。

根据不同的分类方式,热电材料可以分为以下几类:一、按材料体系分类1.金属热电材料:这类材料以金属为主,具有较高的热电势和较低的热导率。

常见的金属热电材料包括铜、镍、铬、铁、钴等。

2.半导体热电材料:这类材料以半导体为主,其热电势和热导率都较高。

常见的半导体热电材料包括硅、锗、砷化镓、碳化硅等。

3.陶瓷热电材料:这类材料以陶瓷为主,其热电势较低但热导率较高。

常见的陶瓷热电材料包括钛酸钡、锆钛酸铅等。

4.复合热电材料:这类材料由金属、半导体和陶瓷等多种材料组成,具有优异的热电性能。

常见的复合热电材料包括氧化锌掺杂铅铋合金、碳化硅基复合材料等。

二、按应用领域分类1.能源转换领域:这类材料主要用于将热能转换为电能,常用于热电发电和太阳能发电等领域。

常见的能源转换用热电材料包括铋掺杂的铅基合金、硅锗合金等。

2.温度控制领域:这类材料主要用于精确控制物体的温度,常用于电子器件的温度控制和微型制冷等领域。

常见的温度控制用热电材料包括钛酸钡、锆钛酸铅等。

3.热电制冷领域:这类材料主要用于制冷和温度控制,常用于微型制冷器、温差发电和红外探测器等领域。

常见的热电制冷用热电材料包括铅铋合金、铜基合金等。

4.其他领域:除了以上三个领域,热电材料还可以应用于其他领域,如热电偶、温度传感器等。

三、按制备方法分类1.机械合金法:通过机械合金化的方法制备出具有优异热电性能的合金材料。

该方法具有制备工艺简单、成本低等优点,但易引入杂质元素影响材料的性能。

2.真空熔炼法:通过在真空环境中将原料加热至熔点以上并缓慢冷却的方法制备出纯净的热电材料。

该方法可有效去除杂质元素的影响,提高材料的性能,但制备工艺复杂、成本较高。

3.化学气相沉积法:通过化学反应的方式在基底上生长出具有优异性能的热电材料。

该方法可实现大面积制备,同时可精确控制材料的成分和结构,但工艺复杂且成本较高。

热电材料的研究现状及发展趋势.doc

热电材料的研究现状及发展趋势.doc

热电材料的研究现状及发展趋势摘要热电材料能够直接将电能和热能进行互相转化。

由它制成的温差发电器不需要使用任何传动部件,工作时无噪音、无排弃物;和太阳能、风能、水能等二次能源的应用一样,对环境没有污染,是一种性能优越,具有广泛应用前景的环境友好型材料。

本文系统阐述了传统热电材料和新型热电材料的研究现状,介绍了各系列热电材料的热电性能及适用范围等,指明了英今后的发展方向。

关键词热电材料,温差发电,温差发电机,Seebeck系数,掺杂1引言在以原油价格暴涨为标志的“能源危机”之后,世界上又相继出现以臭氧层破坏和温室气体效应为首的“地球危机”和“全球变暖危机”。

各国科学家都在致力于寻求高效、无污染的新的能量转化利用方式,以达到合理有效利用工农业余热及废热、汽车废气、地热、太阳能以及海洋温差等能量的目的[1〜3]。

于是,从上个世纪九十年代以来,能源转换材料(热电材料)的研究成为材料科学的一个研究热点。

热电材料又叫温差电材料,具有交叉耦合的热电输送性质;是一类具有热效应和电效应相互转换作用的新型功能材料,利用热电材料这种性质,可将热能与电能进行直接相互转化[4〜6]。

用不同组成的N型和P型半导体,通过电气连接可组成温差发电器件和半导体制冷装置。

与传统发电机和制冷设备相比,半导体温差发电器和制冷器具有结构简单、不需要使用传动部件、工作时无噪音、无排弃物,和太阳能、风能、水能等二次能源的应用一样,对环境没有污染,并且这种材料性能可靠,使用寿命长, 是一种具有广泛应用前景的环境友好材料[7〜10] o2热电材料的理论基础19世纪德国科学家Thomas Seebeck观察到,当两种不同的金属构成一闭合回路,若在两接合点存在有温度差时,则回路中将产生电流,此种效应被命名为Sccbeck Effect,这也成为了温差发电技术的基础。

2. 1热电材料的三个效应热电材料的研究是一个古老的话题,早在1822-1823年,塞贝克(Seebeck)就曾在《普鲁士科学院报》屮描述了一个当时他这样断定的现象:在彼此接合的不同导体中,由于温度差的影响,就会出现自由磁子。

新的高功能热电制冷材料_CsBi_4Te_6

新的高功能热电制冷材料_CsBi_4Te_6

长得到的整个结构具有理想的准晶拼砌 ; 如果不具 有化学序 ,则得到随机拼砌 ; 对于真实的准晶 ,则是 上述两者的混合.以上等人的工作先从理论上证明了准晶结构的覆盖新模型的可行性及其具有拼砌图所不能比拟的 Gummelt P , Bandt C. In : Pr oc. 7t h Int . Co nf . o n Quasicrys 2 tals. St ut t gart , 1999 . ( see ht tp :/ / www . icq7 . uni 2st ut t gar t . de )Stei nhardt P J , J e o ng H 2C. Nat ure ,1996 ,382 :431Stei nhardt P J , J e o ng H2C , Saito h K et al . Nat ure , 1998 , 396 :55 ; Nat ure ,1999 ,399 :84Yan Y , Pennyc oo k S J , Tsai A P. Phys. Rev. Let t . , 1998 , 81 :5145Yan Y , Pennyc oo k S J . Nat ure ,2000 ,403 :266 ; Phys. Rev. B ( 2000 ,i n p ress ) ; Mater . Sci . Eng. A ( 2000 ,i n p ress )(武汉大学物理系 王建波)2 ]3 4 ] ] 优点1 —3 ,然后从实验上给出了准晶结构的覆盖新 5 ] 模型的直接证据 ,并对具体的 Al 72 Ni 20 C o 8 十次准晶 提出了重复单元的原子结构 ,及一种可能的生长机 制4 —6. 这些强有力地支持了准晶结构的覆盖模6 ]新的高功能热电制冷材料 ———CsBi 4 T e 6热电效应制冷具有体积小 、无运动部件和操作 方便等优点 ,与注重环保和节能的国际趋势相适应 , 有关研究受到了世界各国的高度重视.在亚室温区 (200 —300 K ) 实现制冷与我们生活的关系最为密切. 不幸的是 , 该温区的热电制冷材 料 ,其性能在过去的 30 年中一直没有得到优化发 展. 通常 ,用无量纲组合参数 Z T 来衡量热电材料性高激光二极管 、红外探测器等电子器件的功效是至关重要的.按照有关理论 ,材料的 Seebeck 系数π k B T α = ( 1)ε= E F其中 D (ε) 是作为能量函数的态密度. 在自由电子近 似下 ,D (ε) ∝ε1/ 2,于是( 1) 式转变到人们所熟悉的 形式 :能的优劣 , 其中 T 是绝对温度 , Z = αζα 是 See 22 , κ π2 k 2 T B · 1 α = , ( 2)beck 系数 (单位 V/ K ) ,ζ是电导率 (单位 1/Ω·m ) ,κ 是热导率 (单位 W/ m ·K ) . 目前 ,在亚室温区可利用的最佳材料是 Bi 2 - x Sb x Te 3 . 从 100 K 到 400 K ,该种 材料的 Z T 值随温度的升高而增加( 在 100 K ,230 K 和 400 K ,其 Z T 值分别为 011 ,016 和 0195) ;当温度 从 400 K 继续升高 , 其 Z T 值从峰值下跌. 实践证明 ,可将 Z T = 016 作为判断材料实用价值的分界 线. 也就是说 ,我们还没有一种在低于 230 K 的温区 能够有效制冷的热电材料.近年来 ,热电材料的研究热点集中在以下几个 方面 : (1) 填隙方钴矿锑化物 ; ( 2 ) hal f - Heusler 合金 ,如 Zr Ni Sn ; (3) 笼形结构材料 (clat h rates ) ; ( 4) 五 碲化合物 (pentatellurides ) ,如 Hf Te 5 和 Zr Te 5 . 最近 , 在美国密执安州立大学 , 由 M ·Kanatzidis 领导的 Chung 等 ,在 Bi 的硫族化合物研究中取得了突破性进展. 他们制备的新热电材料 CsBi 4 Te 6 可将有效制 冷温度范围向下推至 170 K. 原有的最佳化 Bi 2 - xSb x Te 3 ,其制冷下限是 230 K ,新的掺杂 CsBi 4 Te 6 将 这个下限向低温方向延伸了 60 度. 这一延伸对于提 ·634 ·3 e2 EF其中 E F 等于费米能级与价带顶之间的能量差. Chung 等认识到 ,为要提高 Seebeck 系数 ,应该设法加大 D (ε) 在费米能级附近的变化梯度. 由此 ,要求 材料具有更为复杂的晶体结构和电子结构. 通过对K 2Bi 8 Se 13的研究 ,Chung 等发现 ,碱金属 K 的引入 ,能够有效地减小材料的热导. 于是 ,他们试图将更重 的碱金属 Cs 引入到传统热电材料 Bi 2 Te 3 中 , 以期 获得类似的效果. 他们把起始材料 Cs 2 Te 和 Bi 2 Te 3 置于 700 ℃的温度下反应 ,制备出 Cs 2Bi 8 Te 13 . 进而 , 他们从中再造出 CsBi 4 Te 6 ,并将后者制成单晶. 单晶具有针状的一维外形 , 针的轴向( 以下称为 b 轴方 向) 是晶体生长最快的方向 ,同时也是热电功率最大 的方向. 热电性能的测试表明 ,新材料具有未曾预料 到的优良热电特性.针状晶体由 Bi 4 Te 6 板条 [ 板条沿 b 轴方向延 伸 ,板条的宽和高分别是 23 ! ( a 轴) 和 12 ! ( c 轴) ]和 Cs +离子层( 平行于 ab 平面) 叠加而成. 碱金属 Cs 的引入使得每两个 Bi 2 Te 3 增加了一个电子. 这些物理dln D (ε)d ε2 23 e电子离开它们的母体Cs + ,定位于板条的侧边,形成Bi Bi 键,形式上起到了板条与板条之间侧向联流子浓度数据导出的室温空穴迁移率高达1000c m2 / V·s ,大大超出了最佳化p 型Bi2 Te3 的值(~380c m2 / V·s) .如所周知,一个完整的半导体制冷器不仅包括p 型组件,而且需有配对的n 型组件. 在全面测试了Sb I3 掺杂样品的热电性能之后, Chung 等又制备了n 型CsBi4 Te6 掺杂合金( 用In2 Te3 掺杂) . 初步的实验表明, 后者同样具有很高的热电功率,αmax ~- 100μV/ K(当T~160 K) .接的作用.接下来, Chung 等对CsBi4 Te6 进行了掺杂研究. 他们用Sb I3 掺杂, 试图以含有7 个电子的I 替代含有6 个电子的Te ,从而制备出n 型半导体. 但是,他们未能达到预期的目的———Sb I3 掺杂后所得到的是p 型半导体. 实验表明,0105 %Sb I3 的掺杂浓度是最佳的. 这个掺杂样品的α2ζ在T = 184 K 达到最大( 5115μW/ cm ·K2 ) ;α最大出现在T ~250 K(αmax = 175μV/ K) ; 在150 K < T < 300 K 的整个温区, 沿 b 轴方向的热导率具有恒定值( 1148 W/ m·K) ,比传统材料Bi2 Te3 的热导率( ~1185 W/m ·K) 小得多. 最佳掺杂样品的Z T 参数在T = 225 K 达到最大( Z T = 0182) ; 而原有的最佳化Bi2 - x Sb x Te3 合金,在T = 225 K 的Z T 值仅为0158 .霍尔效应测量表明, 对于011 % S b I3 掺杂的样品,其室温载流子浓度约为1019 / cm3 . 从电导率和载Chung 等相信,进一步改进CsBi Te 新系列的4 6热电性能是完全可能的. 他们甚至期望将Z T 参数提高到115 以上.参考文献123]]]Chung D Y et al . Science ,2000 ,287 :1024Cho A. Science ,2000 ,287 :945戴闻. 物理, 2000 , 29 : 187 DA I Wen. Wuli ( Physics) , 2000 ,29 :187 (i n Chi nese) ](中国科学院理化技术研究所戴闻)Bi2 S r2 C a( Cu1 - x Z n x )2O8 + δ单晶体的扫描隧道显微谱1986 年, I BM 苏黎世实验室的两位科学家因研制成功扫描隧道显微镜( S TM) 而被授予诺贝尔奖; 同年,同是这个实验室的Bedno rz 和Mül ler 发现了铜氧化物高温超导体,为此,他俩于次年也获得了诺贝尔奖. 最近, 来自美国加州大学的Pan 等利用S TM 完成了一项有关高温超导机理的重要研究. 他们的研究对象是Zn 掺杂Bi - 2212 单晶体. 通过拓扑成像和隧穿谱的测量,研究者们发现:在杂质原子Zn 格点的周围存在“十字样”的局域杂质态———这是该效应被预言以来首次获得的实验观察.尽管高温超导体的组分、结构复杂多样,但大部分都具有层状结构, 并且其中的CuO2 层是超导电性产生的基础. 在CuO2 层内, 单胞具有平方对称性: Cu 原子位于平方单胞的中心, 4 个近邻氧原子分别位于单胞的四条直边上. 每条边把氧原子切成两半,一半在单胞内,一半在单胞外,结果,每个单胞正好包含1 个Cu 原子和2 个氧原子. 高温超导体具有很强的各向异性,因此,在描述一项实验之前,坐标系的定义很重要. 鉴于在过去的文献中,对CuO2层内晶轴 a 和b 的定义时有不同, 本文事先约定:(1) 称Cu 与近邻氧的连线方向为“铜氧键方向”;(2) 称与上述方向夹角为45°的方向为“平方单胞对29 卷(2000 年) 10 期角线方向”; (3) 称与CuO2 平面垂直的方向为“c 轴方向”.在Pan 等使用的Bi2 Sr2 C a ( Cu1 - x Zn x ) 2 O8 +δ单晶样品中, 杂质Zn 的含量为x = 016 % , 样品的T c= 84 K ,超导转变宽度为4 K. 依靠S T M 所能达到的原子尺度分辨率, Pan 等详细地表征了杂质Zn 原子附近的电子结构,以及该结构与超导主体之间的差异.在Pan 等的实验中, 样品在T = 4 K 和超高真空的条件下被分裂,分裂方向平行于CuO2 层. 切割后的样品立即被装入S TM 低温( T = 4 K) 样品室. 标准的S TM 拓扑成像表明: 样品的表面是BiO 层, 在这个表层中只有Bi 原子能够出现在S TM 拓扑像中. 按照已知的Bi - 2212 结构,在BiO 层下面,依次是SrO 层- CuO2 层- C a 层- CuO2 层- SrO 层- BiO 层. 这就是说,为要观察Zn 取代Cu 后所发生的变化,S T M 的探测目标应该是从样品表面层算起的下方第三层. 事实上, C uO2 层中的Cu 格点与表面层中的Bi 格点是严格上下对应的. 因此,同时采集样品表面的拓扑像和隧穿谱,将有助于定位隧穿谱的空间分布与Cu 格点( 以及代位的Zn 格点) 间的关系.·635 ·。

热电材料

热电材料

了解热电材料定义热电材料是一种能将热能和电能相互转换的功能材料,1823年发现的塞贝克效应和1834年发现的帕尔帖效应为热电能量转换器和热电制冷的应用提供了理论依据。

对于遥远的太空探测器来说,放射性同位素供热的热电发电器是目前唯一的供电系统。

利用自然界温差和工业废热均可用于热电发电,它能利用自然界存在的非污染能源,具有良好的综合社会效益。

利用帕尔帖效应制成的热电制冷机具有机械压缩制冷机难以媲美的优点:尺寸小、质量轻、无任何机械转动部分,工作无噪声,无液态或气态介质,因此不存在污染环境的问题,可实现精确控温,响应速度快,器件使用寿命长。

还可为超导材料的使用提供低温环境。

另外利用热电材料制备的微型元件用于制备微型电源、微区冷却、光通信激光二极管和红外线传感器的调温系统,大大拓展了热电材料的应用领域。

所以说,热电材料是一种有着广泛应用前景的材料,在环境污染和能源危机日益严重的今天,进行新型热电材料的研究具有很强的现实意义。

特点优点:制造热电产生器或热电致冷器的材料称为热电材料,是一种将电能与热能交互转变的材料。

其优点如下:(1)体积小,重量轻,坚固,且工作中无噪音;(2)温度控制可在±0.1℃之内;(3)不必使用CFC(CFC氯氟碳类物质,氟里昂。

被认为会破坏臭气层),不会造成任何环境污染;(4)可回收热源并转变成电能(节约能源),使用寿命长,易于控制。

缺点:目前利用热电材料制成的装置其效率(<5%)仍远比传统冰箱或发电机小。

家庭与工业上的冷却将因热电装置无运动的部件,是坚固的,安静的,可靠的,且避免使用会破坏臭气层的含氯氟碳氢化合物。

电热材料需要有高导电性以避免电阻所引起电功率之损失,同时亦需具有低热传导系数以使冷热两端的温差不会因热传导而改变。

分类目前可依其运作温度分为三类:(1)碲化铋及其合金:目前被广为使用于热电致冷器,其最佳运作温度<450℃。

(2)碲化铅及其合金:目前被广为使用于热电产生器,其最佳运作温度大约为1000℃。

【北京市自然科学基金】_掺杂浓度_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140729

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科研热词 自吸收 磷光材料 热退火 激基缔合物发光 有机电致发光器件 近红外光谱 载流子迁移率 载流子浓度 窄脉宽 稀土离子 硒化锌 生长压力 激光器 滑石粉 淀粉 太阳能电池 双通放大 分子束外延 光致发光 偏最小二乘法 下转换 ypo4 n型掺杂 mocvd ii-vi族化合物半导体 gan 1ns
推荐指数 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2013年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
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2013年 科研热词 铝酸镁 调q锁模 荧光透明陶瓷 自受激拉曼 封装 nd:gdvo4 cr:yag 铝镓氮 迁移率 载流子浓度 表面活化剂 有序化温度 场发射 二维电子气 spfgo si掺杂 opv oled inas量子点 fept/au复合材料 推荐指数 2 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2009年 序号 1 2 3 4 5 6 7
科研热词 荧光光谱 稀土离子 上转换发光 zblan玻璃 yb3+ tm3+ nd3+
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原位Al3Ni颗粒增强A356基复合材料的显微组织与耐磨性能研究

原位Al3Ni颗粒增强A356基复合材料的显微组织与耐磨性能研究
(1.江苏大学 材料科学与工程学院,江苏 镇江 212013;2.江苏省高端结构材料重点实验室,江苏 镇江 212013)
摘 要: 通 过 AlGNi2O3体 系 熔 体 反 应 法 制 备 Al3Ni 颗粒增强 A356 基 复 合 材 料,并 研 究 了 材 料 显 微 组 织 和耐磨性能.结果表明,Al3Ni颗粒在5%(质 量 分 数) Al3Ni/A356 复 合 材 料 中 的 形 貌 为 细 小 的 点 状,在 10%(质量分数)Al3Ni/A356 复 合 材 料 中 呈 不 规 则 的 块状和弯 曲 的 条 状,在 20% (质 量 分 数 )Al3Ni/A356 复合材 料 中 的 形 貌 为 圆 球 形,其 中,5% (质 量 分 数 )
粉压制成预制 块,成 功 制 备 了 AlGNi金 属 间 化 合 物 增 JEOLGJSMG7001F)观察试 样 微 观 组 织;另 取 一 组 试 样
强铝基复合材 料.前 者 利 用 熔 体 反 应 法,使 用 挤 压 铸 用金相砂纸研磨到1000 目 后,通 过 球G盘 式 摩 擦 磨 损
造制备了 Al3Ni颗粒增强 Al基复合材料,该工艺 可 以 获得高 体 积 分 数 的 增 强 体;后 者 在 加 入 高 体 积 分 数
但是两者制备 的 材 料 中,增 强 体 偏 聚 严 重,气 孔、 缩松等缺陷多.AiYinglu[8]将不同体积比的 Ni2O3和 Al粉 压 制 成 预 制 块,利 用 微 波 合 成 加 热 方 法 制 备 出 Al3Ni/Al复合材料.该材料 中 Al3Ni颗 粒 分 布 均 匀, 尺寸细小,但是 在 微 波 合 成 的 过 程 中 容 易 造 成 熔 体 过 热或体系反应 不 完 全. 而 在 原 位 合 成 法 中,AlGNi2O3 体系熔体反应法和重力铸造成型过程具有加热温度准

最全的热电效应-名词解释

最全的热电效应-名词解释

塞贝克效应:1821年,德国物理学家塞贝克发现,在两种不同的金属所组成的闭合回路中,当两接触处的温度不同时,回路中会产生一个电势,此所谓“塞贝克效应”。

塞贝克后来还对一些金属材料做出了测量,并对35种金属排成一个序列(即Bi-Ni-Co-Pd-U-Cu-Mn-Ti-Hg-Pb-Sn-Cr-Mo-Rb-Ir-Au-Ag-Zn-W-Cd-Fe-As-Sb-T e-……),并指出,当序列中的任意两种金属构成闭合回路时,电流将从排序较前的金属经热接头流向排序较后的金属。

1834年,法国实验科学家帕尔帖发现了它的反效应:珀尔帖效应。

珀尔帖效应:当有电流通过不同的导体组成的回路时,除产生不可逆的焦耳热外,在不同导体的接头处随着电流方向的不同会分别出现吸热、放热现象。

这是J.C.A.珀耳帖在1834年发现的。

如果电流由导体1流向导体2,则在单位时间内,接头处吸收/放出的热量与通过接头处的电流密度成正比。

12称为珀耳帖系数[1],与接头处材料的性质及温度有关。

这一效应是可逆的,如果电流方向反过来,吸热便转变成放热。

汤姆孙效应:汤姆逊利用他所创立的热力学原理对塞贝克效应和帕尔帖效应进行了全面分析,并将本来互不相干的塞贝克系数和帕尔帖系数之间建立了联系。

汤姆逊认为,在绝对零度时,帕尔帖系数与塞贝克系数之间存在简单的倍数关系。

在此基础上,他又从理论上预言了一种新的温差电效应,即当电流在温度不均匀的导体中流过时,导体除产生不可逆的焦耳热之外,还要吸收或放出一定的热量(称为汤姆孙热)。

或者反过来,当一根金属棒的两端温度不同时,金属棒两端会形成电势差。

这一现象后叫汤姆逊利用他所创立的热力学原理对塞贝克效应和帕尔帖效应进行了全面分析,并将本来互不相干的塞贝克系数和帕尔帖系数之间建立了联系。

汤姆逊认为,在绝对零度时,帕尔帖系数与塞贝克系数之间存在简单的倍数关系。

在此基础上,他又从理论上预言了一种新的温差电效应,即当电流在温度不均匀的导体中流过时,导体除产生不可逆的焦耳热之外,还要吸收或放出一定的热量(称为汤姆孙热)。

竞赛习题-晶体结构题

竞赛习题-晶体结构题

专题练习:晶体结构1. 石墨晶体由如图(1)所示的C原子平面层堆叠形成。

有一种常见的2H型石墨以二层重复的堆叠方式构成,即若以A、B 分别表示沿垂直于平面层方向(C方向)堆叠的两个不同层次,它的堆叠方式为ABAB•…。

图(2)为AB两层的堆叠方式,0和•分别表示A层和B层的C原子。

⑴ 在图(2)中标明两个晶胞参数a和b o图⑵画岀2H型石墨晶胞的立体示意图,并指岀晶胞类型有一离子晶体经测定属立方晶系,晶胞参数a= 4.00?(1?=10「8cm),晶胞的顶点位置为Mg2+,体心位置为K+,所有棱边中点为F「。

⑴该晶体的化学组成是___________________________________________ ;⑵晶胞类型是___________________________________________________ ;⑶Mg2+的F「配位数是_____________ ,K+的F「配位数是___________ ;⑷ 该晶体的理论密度是___________ gcm「3o⑸ 设晶体中正离子和负离子互相接触,已知F「的离子半径为1.33?,试估计Mg 2+的离子半径是__________ ?,K+的离子半径是______________ ?o3. NiO晶体为NaCI型结构,将它在氧气中加热,部分Ni2+被氧化为Ni3+,晶体结构产生镍离子缺位的缺陷,其组成成为Ni x O(x<1),但晶体仍保持电中性。

经测定Ni x O的立方晶胞参数a=4.157?,密度为6.47g cm「3。

⑴x的值(精确到两位有效数字)为____ ;写出标明Ni的价态的Ni x O晶体的化学式____________ o⑵在Ni x O晶体中Ni占据_________________ 空隙,占有率是___________4. 完成下列各题:①分别指出两种结构的结构基元由几个Cu原子和几个Br原子组成:图⑴ 为________ 个Cu原子,_______ B r原子;图⑵ 为________ 个Cu原子,______ 个Br原子②用笔在图中圈出相应的一结构基元。

ZnO掺杂

ZnO掺杂

ZnO为II-VI族化合物半导体材料,具有压电、热电、气敏、光电等多种性能,在许多领域都有广泛的应用。

近年来ZnO在光电领域的应用引起了人们的很大关注,这是由于ZnO 在室温下禁带宽度为3.37eV,可以用来制备蓝光或紫外发光二极管(LEDs)和激光器(LDs)等光电器件。

尤其是ZnO具有较高的激子束缚能(60meV),大于GaN的24meV,完全有可能在室温下实现有效的激子发射,因此在光电领域具有极大的发展潜力。

ZnO在光电领域的应用依赖于高质量的n型和p型薄膜的制备。

目前人们通过掺杂己经获得了具有较好电学性能的n型ZnO。

然而本征ZnO在内部容易产生各种施主型缺陷,发生自补偿作用使得p 型ZnO薄膜难以制备,这种情况很大程度上限制了ZnO薄膜在光电器件方面的发展。

因此如何进行掺杂获得高质量的p型ZnO薄膜一直是ZnO研究领域的难点和热点,尽管近几年科研人员制备出了p-ZnO薄膜,但大都存在着一些问题,高载流子浓度、低电阻、电学性能稳定的p-ZnO薄膜的制备问题依然困扰着ZnO材料的发展。

如何通过理论和实验找到合适的受主杂质实现高质量的p型掺杂将对ZnO的实际应用起到极大的推动作用。

p型ZnO薄膜难以制备的原因主要是由于ZnO存在诸多的本征施主缺陷而导致的自补偿效应。

ZnO的本征点缺陷一般有6 种形态:氧空位VO、锌空位VZn、反位氧OZn、反位锌ZnO、间隙氧Oi和间隙锌Zni。

氧空位VO为正电中心,具有负库仑的吸引势,其导带能级向低能移动,进入带隙形成施主能级。

锌空位VZn为负电中心,其价带能级向高能方向移动,进入带隙形成受主能级。

OZn缺陷是O占据Zn 原子位置产生Zn的O反位,它吸引近邻原子的价电子形成负电中心,价带能级进入带隙形成受主缺陷。

而ZnO缺陷是O的Zn反位缺陷而成为正电中心,导带能级进入带隙形成施主缺陷。

间隙锌Zni为正电中心,其导带能级向低能移动,进入带隙形成施主能级,而Oi缺陷态则是价带顶的受主能级。

掺杂In2O3及两种Zintl相化合物的电子结构和热电特性

掺杂In2O3及两种Zintl相化合物的电子结构和热电特性

掺杂In2O3及两种Zintl相化合物的电子结构和热电特性掺杂In2O3及两种Zintl相化合物的电子结构和热电特性近年来,随着能源危机的加剧和对环境友好型材料的需求增加,热电材料的研究备受关注。

热电材料具备热传导和电导之间的耦合特性,能够将废热转化为可用能源。

为了提高热电材料的效率,同时减少对环境的不良影响,科研人员不断探索新的热电材料。

掺杂In2O3及两种Zintl相化合物就是其中的研究热点之一。

In2O3是一种具有良好电导性和光电化学性能的氧化物材料。

研究表明,通过掺杂可以改变In2O3的电子结构,从而提高其热电性能。

掺杂是将少量外部原子引入晶格结构中,改变材料的物理性质。

常见的掺杂元素包括Sn、Zn、Al等。

研究表明,Sn掺杂可以提高In2O3的电导率,使其成为一种潜在的热电材料。

通过密度泛函理论计算,可以得到In2O3的能带结构。

由于掺杂,能带结构中出现了新的能级,从而改变了In2O3的电子传输性能。

此外,研究还发现,掺杂Sn后,In2O3的载流子浓度和迁移率均得到了显著提高,从而提高了材料的电导率。

这使得掺杂In2O3在热电应用中具有很大潜力。

除了In2O3,Zintl相化合物也是热电材料研究的重要领域。

Zintl相是一种由金属阳离子和阴离子组成的材料,具有丰富的化学性质和结构多样性。

常见的Zintl相包括BaSi2、CaAl2和SrZn2等。

Zintl相具有良好的电子和热输运特性,因此受到了广泛关注。

研究表明,通过掺杂可以调控Zintl相的电子结构,从而改变其热电性能。

例如,通过掺杂Co或Ni等过渡金属元素,可以提高Zintl相的电导率。

此外,研究还发现,掺杂元素的尺寸和电子态对Zintl相的电子结构和热电性能有重要影响。

通过密度泛函理论计算和实验研究,可以揭示掺杂元素与Zintl相之间的相互作用机制,从而对改进热电性能提供指导。

综上所述,掺杂In2O3及两种Zintl相化合物是热电材料研究中具有潜力的方向之一。

材料化学chapter9温度传感器

材料化学chapter9温度传感器

ZrO2氧传感器的结构及机理
多空铂电极
正在迁移的 O2-离子
被测气体 中的O2
氧含量恒定
ZrO2-CaO
ZrO2氧传感器的结构及机理
根据能斯特方程测定被测气体中的氧含量:
E
RT
4F
ln
Pr Ps
由Nernst方程的对数关系,在Ps远小于Pr 时灵敏度较高,适用于低浓度氧的测定。
把固体电解质作为隔膜制成电化学电池,这种电池就 能为气体选择性高的传感器,目前已经用汽车发动机于 空燃比控制的ZrO2-Y2O3氧传感器。
(1)烧结性SnO2气敏传 感器
3.特性
烧结型SnO2气敏传感器是目前工艺上最成 熟的气敏传感器,具有很高的热稳定性。这种 传感器在半导体表面层产生可逆氧化还原反应, 半导体内部的化学结构不变,因此,长期使用 也可获得较高稳定性。其敏感体是用粒径很小 的粉体为基本材料,与不同的添加剂混合均匀, 采用典型的陶瓷工艺制备,工艺简单,成本低 廉。主要用于检测可燃的还原性气体,如氢、
温度变化而变化的原理进行测温的。热电阻传感器 分为金属热电阻和半导体热电阻两大类,一般把金 属热电阻称为热电阻,而把半导体热电阻称为热敏 电阻。热电阻广泛用来测量-200oC一+850oC范围 内的温度,少数情况下,低温可测量至1K,高温达 1000oC。
常用制备热电阻的材料
在实际应用中,金属材料做成热电阻,要求: 测温的金属材料熔点要比较高,延展性要比较 好,便于加工,具有良好的稳定性,在大气中不被 氧化,具有尽可能大的和稳定的电阻温度系数和电 阻率,最好成线性关系曲线等。
① 纳米固体电解质有庞大的界面,可以提供大量的气 体通道,能显著提高灵敏度;
② 纳米固体电解质具有很大的比表面积,可大大降低 烧结温度,提高固体电解质的致密度,相应地提高离子 导电性,这样可提高测量的灵敏度,并使工作温度降至 4000C

热电材料Ca_(3)Co_(4)O_(9)掺杂Ag、Yb改性的量子化学计算

热电材料Ca_(3)Co_(4)O_(9)掺杂Ag、Yb改性的量子化学计算

热电材料Ca_(3)Co_(4)O_(9)掺杂Ag、Yb改性的量子化学计算王成江;张婧;祝梦雅;曾洪平【期刊名称】《电源技术》【年(卷),期】2022(46)4【摘要】Ca_(3)Co_(4)O_(9)是近年来公认的适合在恶劣环境下应用的热电材料,但低功率因子限制了其在热电转换方面的表现。

为探究Ca位双掺杂Ag-Yb是否可进一步改进Ca_(3)Co_(4)O_(9)的性能,建立了Ca_(3)Co_(4)O_(9)体系、Ca位的单掺杂Ag、Yb体系以及双掺杂Ag-Yb体系的理论模型,基于量子化学计算并分析了单、双掺杂体系的马利肯键布居、态密度和载流子相对质量,从微观特征变化探究掺杂对功率因子的影响。

结果表明:双掺杂Ag-Yb体系整体布居数较单掺杂体系降低更多;双掺杂Ag-Yb后,费米能级处态密度值显著增加,价带顶部上移,带隙减小,体系赝能隙减小;双掺杂体系的载流子相对质量大幅增加。

【总页数】5页(P451-455)【作者】王成江;张婧;祝梦雅;曾洪平【作者单位】三峡大学电气与新能源学院【正文语种】中文【中图分类】TM913【相关文献】1.Ca_(2.7)M_(0.3)Co_4O_9(M=Ag~+,Sr~(2+),Yb~(3+))热电陶瓷的制备及电运输性能2.Ag/Yb_(0.35)Co_4Sb_(12)热电复合材料的制备及热电性能研究3.Ca_(3)Ti_(2)O_(7)杂化非本征铁电体的制备及其掺杂改性研究进展4.无人机用锂离子电池正极材料Li_(1.20)Mn_(0.54)Ni_(0.13)Co_(0.13)O_(2)的Mo^(6+)掺杂改性研究5.Cu掺杂Co_(3)O_(4)基电极材料改性的第一性原理研究因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。

热电材料的制备与性能研究

热电材料的制备与性能研究

热电材料的制备与性能研究热电材料是指能够将热能直接转化为电能或者将电能直接转化为热能的材料,其在能源转换领域具有重要应用价值。

近年来,随着对可再生能源利用的不断追求和热电材料研究的深入,热电能力越来越强大,吸引了广泛的关注和研究。

本文将从热电材料的制备方法、性能研究以及未来发展方向三个方面进行探讨。

一、热电材料的制备方法热电材料的制备方法涵盖了化学合成方法、物理沉积方法以及机械合金化方法等多种途径。

其中,化学合成方法包括溶液法、气相法和固相法等。

溶液法是将适当的金属盐溶解在溶剂中,通过沉淀反应或者溶剂蒸发使金属盐晶体生长而得到所需要的热电材料。

气相法则是通过气相反应在高温下将金属蒸汽沉积到基底上,形成片状或者纤维状的材料。

固相法是将金属粉末混合均匀后,在高温下进行固相反应以获得所需材料。

物理沉积方法主要包括磁控溅射、激光熔化、蒸发沉积等。

磁控溅射是利用离子轰击的方式,通过高能量离子撞击材料靶,使得材料蒸发并沉积在基底上。

激光熔化则是通过激光的照射,使得材料融化并在基底上凝固成型。

蒸发沉积是将材料加热至挥发温度,使得材料蒸气在基底上沉积。

机械合金化方法是将金属粉末或者合金粉末进行高能球磨,通过机械活化和固态反应来制备所需热电材料。

这种方法具有制备工艺简单、成本低廉的优点,适用于大规模制备。

二、热电材料的性能研究热电材料的性能研究主要关注材料的热电参数,包括热导率、电导率和热电系数等。

热导率是指材料在温度梯度下传导热量的能力,电导率则是指材料在电场作用下电流传导的能力,热电系数则是指材料在温差电压作用下产生的电压与温差之间的比值。

提高热电材料的性能需要从多个方面入手。

首先,可以通过控制材料的晶体结构和化学组成来优化热电性能。

例如,通过掺杂手段来调控材料的能带结构和载流子浓度,从而改善材料的电导率和热电系数。

其次,可以通过界面工程来提高材料的热电性能。

界面对热电材料的热传导和电子传输等过程起着重要作用,通过界面工程可以调控热电材料的能带结构和载流子散射等,提高热电性能。

Sb2Te3基热电材料简介--李特

Sb2Te3基热电材料简介--李特

Sb2Te3基热电材料简介学院:理学院专业:光信息科学与技术姓名:李特学号: 0836005前言材料的热电效应(又称温差电效应),是电能与热能之间的相互耦合转换,从发现热电现象至今己有近200年的历史,然而真正将这一现象发展为有实用意义的能量转换技术与装置则是在20世纪50年代。

热电材料(又称温差电材料)是将热能和电能进行转换的功能材料,在热电发电和制冷、恒温控制与温度测量等领域都有极为广阔的应用前景。

利用热电材料制成热电器件能够实现“热.电”的直接转换。

热电器件具有很多独特的优点,如结构紧凑、没有运动部件、工作无噪声、无污染、安全不失效等,在少数尖端科技领域己经获得了成功的应用。

近年来,随着计算机技术、航天技术、微电子技术、超导技术的发展,能源与环境危机的加剧,迫切需要小型、静态且能固定安装的寿命长的制冷装置和温差发电装置。

与此同时,热电理论的发展和对热电材料实际应用研究的不断深入,热电学研究显示出了更为广泛的应用前景和发展潜力。

热电转换技术是利用半导体材料的Seebeck效应将热能转换成电能的一种新的能源转换和发电技术。

因此,热电转换技术作为一种新型的、环境友好型能源转换技术,由于其可望广泛应用于大量而分散存在的低密度热能(如太阳热、垃圾燃烧余热、工厂排热、以及汽车尾气排热等)的热电发电,而引起世界各国特别是发达国家的高度重视。

一、热电学的基本理论热电效应是由温差引起的电效应和电流引起的可逆热效应的总称。

包括Seekbeck效应、Peltier效应和Thomson效应。

1823年,Thomas Seebeck首次发现了金属的热电效应,也称作Seebeck效应,从而开始了人类对热电材料的研究和应用。

1.1 Seebeck效应早在1821年,德国科学家Seebeck发现在锑和铜两种材料组成的回路中,当两个接点处于不同温度时,回路中便有电流流过。

产生这种电流的电动势称为温差电动势,这种现象称为赛贝克效应(Seebeckeffect),简单的讲就是通过材料的Seebeck效应将热能直接转变为电能。

掺杂碳酸锂后的煅烧温度

掺杂碳酸锂后的煅烧温度

掺杂碳酸锂后的煅烧温度碳酸锂是一种重要的无机化合物,广泛用于锂离子电池、荧光体材料、陶瓷材料等领域。

通过掺杂碳酸锂,可以改变其煅烧温度,从而对其性质和应用进行调控。

本文将讨论掺杂碳酸锂后的煅烧温度及其影响。

首先,我们先来了解一下碳酸锂的基本性质和煅烧过程。

碳酸锂的化学式为Li2CO3,其密度为2.11 g/cm3,熔点为723°C。

在煅烧过程中,碳酸锂会发生分解反应,生成二氧化碳和氧化锂的粉末。

煅烧温度对于反应速率、产物纯度和微观结构等方面有着重要影响。

掺杂碳酸锂后的煅烧温度主要受到以下因素的影响:1.控制杂质含量:通过掺入一定量的杂质,比如其他金属离子、氧化物或硅酸盐等,可以有效调控煅烧温度。

杂质的掺入可以改变碳酸锂的晶体结构、晶格参数和晶界能量等,从而影响煅烧过程中的热传导和反应速率。

2.杂质-基质相互作用:杂质离子与基质离子之间的相互作用对煅烧温度也有重要影响。

例如,一些金属离子可以与碳酸锂中的锂离子形成固溶体,降低晶体的熔点,从而降低煅烧温度。

3.晶体结构调控:煅烧温度还受到晶体结构的调控影响。

掺杂碳酸锂后,杂质离子可以进入晶体结构的一部分空位,从而改变晶体的结构。

这种结构调控可以降低煅烧温度,使煅烧过程更加节能。

掺杂碳酸锂后的煅烧温度对其性能和应用也有着重要影响:1.锂离子电池:碳酸锂是锂离子电池中的重要原料,掺杂后的碳酸锂可以改善电池的充放电性能和循环寿命。

适当降低煅烧温度可以减少碳酸锂颗粒的尺寸和分布范围,提高锂离子电池的能量密度和储能性能。

2.荧光体材料:碳酸锂作为一种重要的荧光体材料,可以用于LED 照明和显示器件。

通过掺杂碳酸锂,可以调控其发光性能和颜色。

煅烧温度对于荧光体材料的发光效果和稳定性有着重要影响,合理选择煅烧温度可以提高荧光体材料的光电性能。

3.陶瓷材料:碳酸锂掺杂陶瓷材料具有良好的电子和离子传导性能,可用于热电材料、分子筛和传感器等领域。

煅烧温度对于陶瓷材料的晶体结构和密度有着重要影响,合适的煅烧温度可以提高陶瓷材料的性能和稳定性。

半导体制造工艺教案9-掺杂讲解

半导体制造工艺教案9-掺杂讲解

9.1概述授课主要内容或板书设计9.2扩散9.3离子注入9.4离子注入机9.5离子注入工艺9.6离子注入的应用9.7掺杂质量控制课堂教学安排主要教学内容及步骤在前面已经介绍了在半导体中哪怕引入一点点杂质也会大大改变半导体的导 电性。

本章就要介绍给半导体引入指定杂质的工艺过程,也就是掺杂。

掺杂的 目的就是改变半导体的导电类型,形成N 型层或P 型层,以形成PN 结和各种半导体器件,从而形成半导体集成电路;或改变材料的电导率。

经过掺杂,杂 质原子将要代替原材料中的部分原子,材料的导电类型决定于杂质的化合价, 如硅中掺入五价的磷(施主杂质)将成为 N 型半导体,掺入三价的硼(受主杂 质)将成为P 型半导体。

9.1.2掺杂的两种方法掺杂的方法有两种:热扩散和离子注入。

热扩散法是最早使用也是最简单 的掺杂工艺,热扩散是利用高温驱动杂质进入半导体的晶格中,并使杂质在半 导体衬底中扩散。

这种方法对温度和时间的依赖性很强。

于20世纪50年代开始研究,20世纪70年代进入工业应用阶段,随着VLSI 超精细加工技术的发展,现已成为各种半导体掺杂和注入隔离的主流技术。

离子注入是通过把杂质 离子变成高能离子来轰击衬底,从而把杂质注入到半导体衬底中的掺杂方法。

9.1.3掺杂工艺流程半导体制造中的污染无时无刻不在,所以掺杂之前要对衬底进行清洗等前处理。

大部分的掺杂是在半导体衬底中指定的区域掺杂一一选择性掺杂,也就 是有些区域需要掺杂,其他区域不掺杂。

怎样实现选择性掺杂呢?那就是在掺 杂之前在半导体衬底表面生长一层掩蔽膜(这层掩蔽膜具有阻挡杂质向半导体衬底中扩散的能力),然后对掩蔽膜进行光刻和刻蚀,去掉衬底上面待掺杂区 域的掩蔽膜,不掺杂区域的掩蔽膜要保留下来,得到选择扩散窗口。

然后放入 高温扩散炉中进行掺杂,则在窗口区就可以向半导体衬底中扩散杂质,其他区 域被掩蔽膜屏蔽,没有杂质进入,实现对半导体衬底中的选择性扩散。

掺杂完 成后要进行检测。

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掺杂Ag,Au,SiO2的纳米碲化铋的制备及热电性能研究
本论文以室温热电材料Bi2Te3纳米棒为研究基础,对掺杂Ag、Au、SiO2等金属和非晶的Bi2Te3纳米热电材料的热电性能做出了进一步的分析和讨论。

用水热合成法制备了棒状Bi2Te3纳米热电材料,并采用低温湿化学法和Stober法制备出了掺杂Ag、Au、SiO2的Bi2Te3纳米热电材料,通过XRD、SEM、TEM和EDS等检测技术对样品的结构、微观形貌表征并分析,并研究了掺杂不同的物质和不同的含量对它们的热导率、电导率、Seebeek系数及功率因子和热电优值的影响。

结果表明,掺杂后的试样与纯Bi2Te3相比,其热导率均降低,但同时电导率也降低了,不同含量的结果是不一样的,最后得到的ZT值均低于Bi2Te3的ZT值。

[38] 耿爱芳等.掺杂Ag,Au,SiO2的纳米碲化铋的制备及热电性能研究[J].CNKI. 2012
Sn掺杂Bi2Te2.7Se0.3薄膜材料的微结构及热电性能研究
采用真空熔炼法合成(Bi1-xSnx)2Te2.7Se0.3合金,再通过热蒸发技术在473K玻璃基体上沉积了厚800 nm的Sn掺杂Bi2Te2.7Se0.3热电薄膜。

利用X射线衍射技术对薄膜的相结构进行表征;采用表面粗糙度测量仪测定薄膜厚度;采用四探针法和温差电动势法分别测量薄膜的电阻率和Seebeck系数;采用薄膜的电阻率和Seebeck系数Sn掺杂浓度对(Bi1-xSnx)2Te2.7Se0.3薄膜热电性进行分析。

结果表明,Sn掺杂浓度为0.003时,热电功率因子提高到12.8μW/K2.cm;Sn掺杂浓度从0.004增加到0.01,薄膜为P型半导体,热电功率因子减小。

[39]江月珍等. Sn掺杂Bi2Te2.7Se0.3薄膜材料的微结构及热电性能研究[J].热加工工艺.2011.V ol.12
添加La的Bi2Te3和Bi0.5Sb1.5Te3热电材料的电磁感应熔炼法制备及其热电性

在N2气保护下,采用电磁感应法制备了添加La的Bi2Te3和Bi0.5Sb1.5Te3。

运用X射线粉末衍射、电感耦合等离子光谱和扫描电子显微镜对材料的物相成分和形貌进行了表征。

研究了La对Bi2Te3和Bi0.5Sb1.5Te3热电材料的电导率(σ)、Seebeck系数(S)和热导率(κ)的影响。

实验结果表明,添加La明显降低了2种材料的热导率,提高了热电优值(ZT),添加La 的Bi0.5Sb1.5Te3的热电优值在室温超过了1。

[40]傅继澎等. 添加La的Bi2Te3和Bi0.5Sb1.5Te3热电材料的电磁感应熔炼法制备及其热电性能[J].应用化学.2012.V ol.9
Cr掺杂拓扑绝缘体Sb2Te3薄膜中反常霍尔效应的调控拓扑绝缘体是最近几年发现的一种新的物质形态,具有很多独特的物理性质,有可能在
拓扑量子计算和自旋电子学等领域有重要的应用[1]。

特别是,在磁性掺杂的拓扑绝缘体中,人们预言了多种新奇的量子效应,例如拓扑磁电效应、量子化反常霍尔效应[2]、表面态诱导的磁有序等等。

利用分子束外延技术在sappire(0001)、SrTiO3(111)等多种衬底中制备了Cr 掺杂的三维拓扑绝缘体Sb2Se3外延单晶薄膜。

STM显示Cr均匀分布在Sb2Se3母体中。

角分辨光电子能谱测量表明,Cr掺杂对Sb2Se3能带结构影响不大。

特别是拓扑绝缘体的狄拉克表面态并没有受到破坏。

电输运测量结果显示Cr掺杂的Sb2Se3在低温下具有明显的反常霍尔效应。

说明Cr原子在薄膜中形成了长程的铁磁序。

我们还利用SrTiO3(111)作为介电层衬底,成功实现了对Cr掺杂Sb2Se3载流子浓度的场效应调控。

另外发现,随着、随着载流子浓度减小,薄膜的磁性没有明显变化。

而反常霍尔效应却显著增加。

另外通
过掺杂Bi原子实现Cr掺杂的Sb2Se3的载流子从p型到n型的转变。

,这些结果为实现
反常霍尔效应奠定了坚实基础。

[40] 常翠祖等。

Cr掺杂拓扑绝缘体Sb2Te3薄膜中反常霍尔效应的调控[R]. 中国北京.中国材料研讨会. 2011
半导体陶瓷散热材料的结构和性能研究
热电多晶陶瓷材料制备了一种新的陶瓷技术。

p-型的样品72%Sb2Te3+25%的
Bi2Te3+3%Sb2Se3掺杂的碲和90%的Bi2Te3+5%Sb2Te3+5%Sb2Se3掺杂SBL3或碘
化银进行了研究。

新的陶瓷散热材料有不均匀的结构,但较高的机械强度及热电性能。

方法比布里奇曼和粉末冶金工艺简单。

测量表明,烧结温度和时间的影响样品的热电性能。

扫描电子显微镜显示,多晶陶瓷材料有一个明显的层状结构。

的掺杂材料进行了研究,包括各种掺杂和掺杂浓度。

对n型掺杂SBL3图的优点是2.9×10-3 K-1,而p型掺杂碲为3.1×10-1 K-1
[41]Cui Wanqiu eg.Studies on the structure and properties of semiconductor ceramic cooling materials[J].M.O.M.S.1993
Studies on the structure and properties of semiconductor ceramic cooling materials
Abstract
Thermoelectric polycrystalline ceramic materials were prepared by a new
ceramic technology. Samples of p-type 72% Sb
2Te
3
+ 25% Bi
2
Te
3
+ 3% Sb
2
Se
3
doped with tellurium and 90% Bi
2Te
3
+ 5% Sb
2
Te
3
+ 5% Sb
2
Se
3
doped with Sbl
3
or Agl were studied. The new ceramic cooling materials have an inhomogeneous structure, but higher mechanical strength and thermoelectric properties. The method is simpler than the Bridgman and powder metallurgy processes. Measurements of properties show that sintering temperature and time effect the thermoelectric properties of the samples. Scanning electron microscopy shows that the polycrystalline
ceramic materials have an obvious layered structure. The doping of the materials was studied, including doping variety and doping concentration.
is 2.9 × 10−3 K−1, while The figure of merit for n-type doped with Sbl
3
that for p-type doped with tellurium is 3.1 × 10−1 K−1
-Cui Wanqiu, Cheng Hao in Journal of Materials Science: Materials in --
Electronics(1993)。

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