發(fā)布時(shí)間：2017-10-07 13:37

  本文關(guān)鍵詞：Sn基籠合物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及電傳輸特性實(shí)驗(yàn)與理論研究

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【摘要】：隨著能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重,發(fā)展無(wú)污染、可再生的新型能源材料已受到國(guó)內(nèi)外的高度重視,熱電材料也因此得到廣泛關(guān)注,但較低的轉(zhuǎn)化效率限制了該類材料在實(shí)際生活中的應(yīng)用�；\合物由于表現(xiàn)出電子晶體和聲子玻璃(PGEC)的特征而有望成為實(shí)際應(yīng)用的高效熱電材料。其中Sn基籠合物因其具有較大的框架半徑,能為填充原子提供較大振動(dòng)空間而能明顯散射聲子降低其熱導(dǎo)率而被廣泛關(guān)注。研究者通過(guò)加壓和摻雜等方法,使籠合物的熱電性能得到大幅度提高,但其ZT值仍在1左右。因此,研究和開(kāi)發(fā)高性能的Sn基熱電材料迫在眉睫。本論文采用理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法研究Sn基籠合物的電子結(jié)構(gòu)與熱電性能。理論上,通過(guò)第一性原理模擬了高壓和摻雜對(duì)材料電子結(jié)構(gòu)的影響;實(shí)驗(yàn)上,通過(guò)Sn自溶劑結(jié)合真空熔融緩冷技術(shù)法,按化學(xué)式Ba_8Ga_(16-x)Cu_xSn_(30)(x=0,1,2)的原子配比,稱量高純?cè)谺a(塊狀,99.9%),Ga(塊狀,99.999%),Sn(塊狀,99.999%)和Cu(塊狀,99.999%)后加熱到不同溫度,合成了I型和VIII型Ba_8Ga_(16-x)Cu_xSn_(30)(x=0,1,2),進(jìn)而探究摻雜對(duì)籠合物熱電性能的影響,主要得出以下結(jié)論:通過(guò)第一性原理模擬計(jì)算Sr8Ga16Sn30結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)和壓強(qiáng)對(duì)其結(jié)構(gòu)的影響。理論計(jì)算表明:VIII型Sr8Ga16Sn30是穩(wěn)定相,而I型是亞穩(wěn)定相,且I型和VIII型兩相之間不存在高壓相變;I型和VIII型Sr8Ga16Sn30都屬于間接帶隙半導(dǎo)體,I型的帶隙為0.125e V,VIII型帶隙為0.009e V;隨著壓強(qiáng)增大,帶隙變大,且壓強(qiáng)對(duì)I型Sr8Ga16Sn30的電子影響更明顯.采用Sn自溶劑法合成Cu摻雜I型和VIII型Ba_8Ga_(16-x)Cu_xSn_(30)(x=0,1,2)單晶樣品。XRD結(jié)果表明:Cu摻雜能提高I型單晶籠合物的合成溫度,且Cu初始含量越大,臨界合成溫度越高;電傳輸性質(zhì)分析表明:Cu摻雜雖然降低了樣品的Seeback系數(shù),但提高了電子的遷移率,從而改善了樣品的電導(dǎo)率;理論分析表明:隨著Cu摻雜,VIII型Ba8Cu Ga15Sn30的導(dǎo)帶基本不變,價(jià)帶整體向上移,顯示了金屬性。Cu4s對(duì)總的態(tài)密度貢獻(xiàn)較小,Cu3d電子主要分布在-3.0e V和-2.0 e V,顯示了Cu的局域性;此外,Cu3d在費(fèi)米能級(jí)出現(xiàn)一個(gè)尖銳的峰,因此籠合物帶邊結(jié)構(gòu)的改變主要是受Cu3d電子態(tài)的影響。采用Sn自溶劑法合成Cu摻雜I型和VIII型Ba_8Ga_(16-x)Cu_xSn_(30)(x=0,1)單晶樣品。采用XRD和DTA結(jié)合的方法分析籠合物的熱穩(wěn)定性,結(jié)果表明:I型Ba8Ga16Sn30在高溫下結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,當(dāng)被加熱到183℃時(shí)開(kāi)始轉(zhuǎn)變?yōu)閂III型Ba8Ga16Sn30;而VIII型Ba8Ga16Sn30在高溫和冷卻過(guò)程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定;隨著Cu的加入,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性降低,I型Ba_8Ga_(15)Cu_1Sn_(30)在加熱到170℃結(jié)構(gòu)開(kāi)始轉(zhuǎn)變?yōu)閂III型;而VIII型Ba_8Ga_(15)Cu_1Sn_(30)在加熱后冷卻過(guò)程中部分分解為Sn和Ba(Ga/Sn)4;I型樣品加溫冷卻后顯示VIII型籠合物電子傳導(dǎo)特征。
【關(guān)鍵詞】：熱電性能 熱穩(wěn)定性 Sn基籠合物 第一性原理
【學(xué)位授予單位】：云南師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TB34
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 第1章 緒論10-21
• 1.1 熱電材料研究的背景及意義10-11
• 1.2 熱電材料的發(fā)展回顧11-12
• 1.3 熱電效應(yīng)的應(yīng)用12-15
• 1.4 熱電材料的發(fā)展?fàn)顩r15-17
• 1.4.1 低溫?zé)犭姴牧?/span>15
• 1.4.2 中溫?zé)犭姴牧?/span>15-16
• 1.4.3 高溫?zé)犭姴牧?/span>16-17
• 1.5 籠合物的研究現(xiàn)狀17-20
• 1.5.1 I型籠合物的實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)狀18-19
• 1.5.2 I型籠合物的理論研究現(xiàn)狀19
• 1.5.3 VIII型籠合物的研究現(xiàn)狀19-20
• 1.6 本論文研究目的和主要內(nèi)容20-21
• 第2章 研究方法與測(cè)試設(shè)備21-31
• 2.1 第一性原理21-22
• 2.1.1 密度泛函理論21-22
• 2.1.2 Materials studio22
• 2.2 實(shí)驗(yàn)方法及測(cè)試設(shè)備22-26
• 2.2.1 單晶熱電材料制備22-23
• 2.2.2 樣品結(jié)構(gòu)表征23-26
• 2.3 熱電材料的性能測(cè)量原理及方法26-31
• 2.3.1 Seebeck系數(shù)測(cè)量26-27
• 2.3.2 電導(dǎo)率的測(cè)試原理及設(shè)備27-28
• 2.3.3 Hall系數(shù)的測(cè)試原理及設(shè)備28-29
• 2.3.4 熱導(dǎo)率的測(cè)試原理及設(shè)備29-31
• 第3章 壓強(qiáng)對(duì)Sn基籠合物的結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)影響的研究31-38
• 3.1 理論計(jì)算方法與結(jié)構(gòu)模型31-33
• 3.2 壓強(qiáng)對(duì)Sr_8Ga_(16)Sn_(30)的結(jié)構(gòu)性質(zhì)的影響33-34
• 3.3 壓強(qiáng)對(duì)Sr_8Ga_(16)Sn_(30)電子結(jié)構(gòu)的影響34-37
• 3.4 Ba_8Ga_16Cu_xSn_(30)與Sr_8Ga_(16)Sn_(30)結(jié)構(gòu)的區(qū)別37
• 3.5 本章結(jié)論37-38
• 第4章 Sn基籠合物合成工藝和熱電性能的研究38-47
• 4.1 Ba_8Ga_(16-x)Cu_xSn_(30)單晶材料的實(shí)驗(yàn)制備38-39
• 4.2 Ba_8Ga_(16-x)Cu_xSn_(30)結(jié)構(gòu)表征及電學(xué)特性39-42
• 4.2.1 樣品結(jié)構(gòu)及含量分析39-41
• 4.2.2 Sn基籠合物電傳輸特性41-42
• 4.3 理論計(jì)算方法和形成能42-44
• 4.4 Sn基籠合物電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)44-46
• 4.5 本章小結(jié)46-47
• 第5章 Cu摻雜對(duì)Sn基籠合物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響的研究47-56
• 5.1 Cu摻雜Sn基籠合物的制備47-48
• 5.2 Cu摻雜Sn基籠合物熱穩(wěn)定性研究48-51
• 5.2.1 I型Sn籠合物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性48-49
• 5.2.2 VIII型Sn籠合物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性49-51
• 5.3 Sn基籠合物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的理論分析51-53
• 5.4 Sn基籠合物的電學(xué)性質(zhì)53-54
• 5.5 本章小結(jié)54-56
• 第6章 結(jié)論與展望56-58
• 6.1 主要結(jié)論56-57
• 6.2 未來(lái)工作展望57-58
• 參考文獻(xiàn)58-63
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文63-64
• 致謝64

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7 李奕l，

本文編號(hào)：988155