Te与In共掺杂对Cu2SnSe3热电性能的影响

Cu₂SnSe₃基化合物作为一种绿色环保的新型热电材料, 近年受到了研究者的广泛关注。然而, 本征Cu₂SnSe₃基化合物载流子浓度低、电性能较差。为优化Cu₂SnSe₃化合物的电热输运性能, 本研究采用熔融、退火结合放电等离子烧结技术制备了一系列Cu₂SnSe_3-xTe_x (x=0~0.2)和Cu₂Sn_1-yIn_ySe_2.9Te_0.1 (y=0.005~0.03)样品, 研究了Te固溶和In掺杂对材料电热输运性能的影响。Te在Cu₂SnSe_3-xTe_x (x=0~0.2)化合物中的固溶度为0.10, Te固溶显著增加了材料的载流子有效质量, 从本征Cu₂SnSe₃样品的0.2m_e增加到Cu₂SnSe_2.9Te_0.1样品的0.45m_e, 显著提高了材料的功率因子, Cu₂SnSe_2.99Te_0.01样品在300 K下获得最大功率因子为1.37 μW·cm^-1·K^-2。为了进一步提高材料的电传输性能, 本研究以Cu₂SnSe_2.9Te_0.1为基体并选取In在Sn位掺杂。In掺杂将Cu₂SnSe₃基化合物的载流子浓度从5.96×10¹⁸ cm^-3 (Cu₂SnSe_2.9Te_0.1)显著提高到2.06×10²⁰ cm^-3 (Cu₂Sn_0.975In_0.025Se_2.9Te_0.1)。调控载流子浓度促进了材料多价带参与电传输, 材料的电导率和载流子有效质量显著增加, 功率因子得到大幅度提升, 在473 K下Cu₂Sn_0.995In_0.005Se_2.9Te_0.1化合物获得最大功率因子为5.69 μW·cm^-1·K^-2。由于电输运行性能显著提升和晶格热导率降低, Cu₂Sn_0.985In_0.025Se_2.9Te_0.1样品在773 K下获得最大ZT为0.4, 较本征Cu₂SnSe₃样品提高了4倍。     

(La1-xMgx)2Ce2O7-x的合成与热物理性能

Mg对La₂Ce₂O₇的掺杂可提高其热膨胀系数、降低其热导率, 从而改善其作为热障涂层材料的性能。采用溶胶-凝胶法制备了(La_1-xMg_x)₂Ce₂O_7-x系列组成样品。X射线测试表明: 当 0≤x≤0.4时, 所有(La_1-xMg_x)₂Ce₂O_7-x 样品均与La₂Ce₂O₇具有相同的缺陷萤石结构, 且晶胞参数随x的增大而递减; 当x?0.4时, 样品中出现MgO的峰。在组成相同的情况下, 样品(La_1-xMg_x)₂Ce₂O_7-x (0≤x≤0.4)的热膨胀系数随温度升高而增大, 而热导率随温度升高而降低。在相同温度下, 不同组成样品(La_1-xMg_x)₂Ce₂O_7-x (0≤x≤0.4)的热膨胀系数随x的增大而增大; 而样品的热导率则随Mg掺杂量的增加呈先增大后减小的趋势。在此基础上, 探讨了Mg掺杂对La₂Ce₂O₇的物相、晶胞参数、热膨胀系数以及热导率的影响机理。     

In:Ga2O3氧化物半导体晶体的生长与性能研究

β-Ga₂O₃晶体是一种新型宽禁带氧化物半导体材料, 本征导电性差。为了在调控导电性能的同时兼顾高的透过率和结晶性能, 离子掺杂是一种有效的途径。采用光学浮区法生长出ϕ8 mm×50 mm蓝色透明In:Ga₂O₃晶体, 晶体具有较高的结晶完整性。In³⁺离子掺杂后, β-Ga₂O₃晶体在红外波段出现明显的自由载流子吸收, 热导率稍有减小。室温下, In:Ga₂O₃晶体的电导率和载流子浓度分别为4.94×10^-4 S/cm和1.005×10¹⁶ cm^-3, 其值高于β-Ga₂O₃晶体约1个数量级。In:Ga₂O₃晶体电学性能对热处理敏感, 1200℃空气气氛和氩气气氛退火后电导率降低。结果表明, In³⁺离子掺杂能够调控β-Ga₂O₃晶体的导电性能。     

Zn3-xMnxTeO6的晶体结构与吸收光谱和磁性研究

本工作主要研究Mn ²⁺离子掺杂的类刚玉系氧化物Zn₃TeO₆(0<x≤2.0)的晶体结构与光学性质和磁性的变化。Zn_3-xMn_xTeO₆粉末样品通过固相反应合成。Mn掺杂量的相图表明, x<1.0时保持单斜(C2/c)结构, 1.0≤x≤1.6为单斜(C2/c)和三方六面体混合相(R-3), x≥1.8时完全转变为R-3相, 且x=2.0时形成ZnMn₂TeO₆, Te-O和Mn/Zn-O键长增大, 八面体发生更大畸变。X射线粉末衍射结构精修也表明R-3相中Zn/MnO₆为畸变八面体。随着Mn ²⁺掺杂含量的增加, Zn_3-xMn_xTeO₆系列化合物不仅结构发生变化, 其颜色也由浅变深。紫外吸收光谱中随着掺杂浓度的增加, 400~550 nm处的吸收增强, 样品的光学带隙也由3.25 eV (x=0.1)逐渐减小到2.08 eV (x=2.0), 分析表明, 可见区吸收的增强是源于MnO₆八面体中Zn/MnO₆八面体中Mn ²⁺离子的d-d跃迁, 导致样品由浅黄色逐渐变为暗黄色。 磁性测试表明, 固溶体的反铁磁转变温度随着Mn ²⁺掺杂量的提高而逐渐增加, 且掺入的Mn ²⁺离子以高自旋态 存在。     

掺铋钇铁石榴石磁光陶瓷的热压烧结及其性能研究

钇铁石榴石(Y₃Fe₅O₁₂, YIG)材料因其优异的磁性能和磁光性能在微波通信、激光技术和光纤通讯等领域具有重要应用。离子掺杂是提高YIG材料磁光性能的有效途径之一, 本研究选择离子半径适配的Bi³⁺掺杂改性YIG陶瓷以提高材料的磁光性能。本工作采用固相法热压烧结制备Bi_xY_3-xFe₅O₁₂ (x=0、0.3、0.6、0.9)陶瓷, 并研究Bi³⁺掺杂对YIG陶瓷材料相结构、微观形貌、红外透过性、磁性能以及磁光性能的影响。结果表明: 陶瓷样品均呈石榴石立方相结构; 显微结构致密, Bi³⁺掺杂后晶粒尺寸不同程度增大; 样品红外透过率良好, 随Bi³⁺掺杂量增大而降低; 陶瓷样品的法拉第旋转角随Bi³⁺掺杂量增加呈线性变化, Bi³⁺掺杂量每增加1% (原子分数), 在波长1064 nm和1550 nm处变化量分别约为-49.0 (°)/cm和-30.2 (°)/cm。Bi_0.6Y_2.4Fe₅O₁₂陶瓷样品在1064 nm和1550 nm波长下法拉第旋转角分别达到-703.3 (°)/cm和-461.5 (°)/cm, 绝对值远高于未掺杂YIG陶瓷的277.6 (°)/cm和172.0 (°)/cm。由此可见, 掺杂适量Bi³⁺可以显著增强YIG陶瓷材料的磁光性能。     

固相法制备钇掺杂的钛酸钡锶钙陶瓷的介电和热释电性能

采用固相反应法制备了Y掺杂 (Ba_0.6Sr_0.3Ca_0.1)_1-xY_xTi_0.999Mn_0.001O₃ (0≤x≤0.007)陶瓷, 重点研究了Y含量对BSCT基陶瓷的显微结构、介电性能和热释电性能的影响。结果表明: 随着Y含量的增加, BSCY_xTM陶瓷的平均晶粒尺寸逐渐减小, 介电常数、介电损耗、居里温度和热释电系数均呈现先增加后减小的趋势。当Y掺杂量为0.7mol%时, BSCY_xTM陶瓷的平均晶粒尺寸最小为3.1 μm, 且探测优值F_d较大, 最大值可达8.22×10^-5 Pa^-1/2(700 V/mm, 30℃), 高于采用溶胶-凝胶法制备的同组分陶瓷的探测优值5.91×10^-5 Pa^-1/2。     

Sr掺杂对12CaO·7Al2O3电子化合物电输运及发射性能的影响

12CaO·7Al₂O₃电子化合物(C12A7:e ^-)是一种具有低工作温度和低逸出功等优点的新型电子化合物阴极材料。通过高温固相反应结合放电等离子烧结制备Sr掺杂(Ca_1-xSr_x)12A7 (0≤x≤0.05)块体, 并在1100 ℃采用Ti颗粒还原20 h成功制得电子化合物(Ca_1-xSr_x)12A7:e ^-。第一性原理计算结果表明, (Ca_1-xSr_x)12A7:e ^-与C12A7:e ^-相比, 框架导带下移, 费米能级附近态密度增加, 这将有利于电输运和发射性能的优化。室温电输运测试结果表明, Sr掺杂有利于C12A7:e ^-电输运性能的优化, 其中(Ca_0.96Sr_0.04)12A7:e ^-样品在室温下具有最高电导率(1136 S/cm)以及最高载流子浓度(2.13×10 ²¹ cm ^-3), 与相同条件下制备的C12A7:e ^-样品相比, 载流子浓度提高近2个数量级, 表明Sr掺杂可以有效缩短制备C12A7:e ^-的制备时间。热电子发射性能测试结果表明, 随着Sr掺杂量的增加, 热电子发射性能逐渐提高, 其中(Ca_0.96Sr_0.04)12A7:e ^-样品具有最佳的热发射性能, 在1100 ℃外加电压3500 V时, 发射电流密度达到1.45 A/cm ², 零场发射电流密度达到0.74 A/cm ², 理查生逸出功降低至1.86 eV。     

LaxSr2-xFe1.5Ni0.1Mo0.4O6-δ对称电池电解CO2研究

固态氧化物电解池(SOECs)因较高的能量转化效率在电化学还原CO₂, 实现“碳中和”社会方面备受关注。与非对称电池结构相比, 对称SOECs的空气极和燃料极是相同或相近的材料, 可以减少界面种类, 改善电极与电解质的热膨胀匹配性, 简化电池的制备工艺。本研究合成了钙钛矿氧化物La_xSr_2-xFe_1.5Ni_0.1Mo_0.4O_6-δ (L_xSFNM, x=0.1、0.2、0.3、0.4), 作为固体氧化物电解池的对称电极用于评估纯CO₂的电化学还原性能。掺入La³⁺可以有效提高反应催化活性, 其中L_0.3SFNM为电极的电解池表现出最高的电化学性能, 800 ℃下, 在空气中的极化电阻为0.07 Ω∙cm², 在50% CO-50% CO₂中的极化电阻为0.62 Ω∙cm²。单电池L_0.3SFNM@LSGM|LSGM|L_0.3SFNM@LSGM在800 ℃和1.5 V电压下的电解电流密度为1.17 A∙cm^-2, 在初始的50 h CO₂短期电解测试中表现出优异的稳定性, 是一种理想的对称电极材料。     

三元过渡金属硼化物Os1-xRuxB2的制备及其结构和性能研究

以高纯锇(Os)、钌(Ru)、硼(B)粉为原料, 在常温常压下采用机械化学法制备了三元过渡金属硼化物Os_1-xRu_xB₂粉末, 并对合成的粉末进行无压烧结使其致密化。研究了机械化学法合成Os_1-xRu_xB₂的反应过程、Ru含量对OsB₂相结构的影响、合成粉末的热稳定性及烧结后块体材料的力学性能。采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)对Os_1-xRu_xB₂粉末及块体的相成分、表面形貌和微观结构进行表征, 并通过维氏硬度计测得其烧结后块体材料的显微硬度。实验结果表明: 合成过程中生成了中间产物Os_1-xRu_xB_1.1, 随着球磨时间的延长有少量Os_1-xRu_xB₂生成, 球磨24 h后合成粉末的主相为Os_1-xRu_xB₂, 继续球磨到40 h, 粉末中相成分不再发生变化。当x≤0.1时, 合成粉末的主相为六方结构Os_1-xRu_xB₂; 而当x≥0.15时,合成粉末的主相为正交结构的Os_1-xRu_xB₂。经1450℃(保温1 h)热处理后的粉末中有部分六方结构的Os_1-xRu_xB₂向正交结构发生相变, 并生成了低硼化物 (Os_1-xRu_x)₂B₃。合成的OsB₂和Os_0.85Ru_0.15B₂粉末经1700℃无压烧结后颗粒呈板条状, 其致密度均为85%左右, 在0.49 N载荷下测得其硬度分别(27±2) GPa和(21±1) GPa。     

Mn和Fe掺杂对尖晶石氧化物Co2MnO4结构和磁性的影响

以金属盐及柠檬酸为原料, 采用溶胶-凝胶法制备了尖晶石氧化物Co_2-xMn_1+xO₄和Co_2-xFe_xMnO₄系列, 通过XRD、FT-IR及PPMS等手段研究了Co₂MnO₄及系列掺杂样品的成相、结构、磁性等特征。结果表明, Co_2-xMn_1+xO₄系列在x<0.6时, 呈单相立方结构, 晶格常数和磁性随着Mn掺杂量的增加而增大, x≥0.6时逐渐向四方结构转化, 磁性下降, 并呈现磁化强度不易饱和的特征; Co_2-xFe_xMnO₄系列样品在x<1.75成分范围内均可保持立方结构, 且晶格常数和磁性都随着x增大而提高。这些变化主要是由于掺杂原子尺度及磁矩均大于原有元素, 掺杂后样品内部的磁性相互作用有所增强。     

(Ag2Se)1-x(Bi2Se3)x的热电性能研究

具有本征低晶格热导率的I-V-VI₂族三元硫属化合物在热电领域引起了广泛关注。AgBiSe₂作为这类化合物中少有的n型半导体, 成为一种有潜力的热电材料。本工作系统研究了AgBiSe₂的热电性能。基于Ag₂Se-Bi₂Se二元相图, 单相的(Ag₂Se)_1-x(Bi₂Se₃)_x的成分在x=0.4~0.62范围可调, 使得该材料载流子浓度具有可调性。结果表明, 通过组分调控获得了较宽范围的载体浓度1.0×10¹⁹~5.7×10¹⁹ cm^-3, 并基于声学声子散射的单一抛物带模型对其电传输性能进行了综合评估。本研究获得的最高载流子浓度接近理论最优值, 在700 K实现了最高ZT值0.5。本研究有助于深入理解AgBiSe₂的传输特性和决定热电性能的基本物理参数。     

Ba1-xMgxAl2Si2O8晶体结构与微波介电性能的研究

采用固相烧结法, 按化学计量比Ba_1-xMg_xAl₂Si₂O₈(x=0, 0.05, 0.1, 0.15, 0.3, 0.5)制备样品, 考察不同MgO含量对BaO-Al₂O₃-SiO₂系介电材料晶体结构及微波介电性能的影响。结果表明, MgO可以降低烧结温度, 促进六方相转变为单斜相, 当添加量x≥0.15时, 相转变可以达到100%。当x≤0.15时, 适量的MgO可以有效地促进单斜钡长石晶粒的长大。在0.05≤x≤0.1范围内, 随着MgO含量的增加, 单斜钡长石衍射峰增强, 晶粒尺寸增大, 密度、介电常数与τ_f均随MgO含量的增加而增大。在x=0.1, 烧结温度为1400℃时, 可获得综合性能相对较好的单斜钡长石, 其介电性能ε_r=6.44, Q×f=16461 GHz, τ_f= -30.6×10^-6 K^-1。     

简单的溶胶–凝胶法制备致密的铜锌锡硫硒薄膜

采用溶胶–凝胶后硒化法制备了铜锌锡硫硒薄膜, 其薄膜表面平整、无裂纹。通过简化铜锌锡硫前驱体溶胶的制备以及后退火时避免使用硫化氢气体（H₂S）等方法使铜锌锡硫硒薄膜的制备工艺得到简化。选用低毒有机物乙二醇为溶剂,Cu(CH₃COO)₂、Zn(CH₃COO)₂、SnCl₂•2H₂O和硫脲为原料, 制备铜锌锡硫前驱体溶胶。XRD、Raman、EDX和SEM 分析表明制备的铜锌锡硫硒薄膜为锌黄锡矿结构, 所有薄膜均贫铜富锌, 用0.2 g硒粉、硒化20 min得到的铜锌锡硫硒薄膜其结晶较好, 表面晶粒可达1.0 μm左右。透射光谱分析结果表明, 随硒含量的增加, 铜锌锡硫硒薄膜的光学带隙从1.51 eV减小到1.14 eV。     

稀土氧化物对SPS烧结AlN陶瓷电性能的影响

以AlN粉末为原料, 添加稀土氧化物(Sm₂O₃、Y₂O₃), 在氮气气氛下, 采用SPS烧结方法制备AlN陶瓷, 研究稀土氧化物的掺杂对AlN烧结试样相组成、微观结构和电性能的影响。实验表明: Sm₂O₃、Y₂O₃与Al₂O₃反应生成的液相稀土金属铝酸盐会提高AlN陶瓷致密度, 且在晶界处形成导电通路降低了AlN陶瓷电阻率。随着Sm₂O₃掺杂量的增加, 晶界相逐渐由Sm₄Al₂O₉过渡到SmAlO₃, 且Sm₄Al₂O₉对电阻率贡献最大。其中, 3wt% Sm₂O₃掺杂AlN陶瓷电阻率最低, 为      

Effect of sputtering power on the physical properties of dc magnetron sputtered copper oxide thin films

Cuprous oxide films were deposited on glass substrates using dc magnetron sputtering technique by sputtering of pure copper target in a mixture of argon and oxygen atmosphere under various sputtering powers in the range 0.38–1.50 W cm⁻². The influence of sputtering power on the structural, electrical and optical properties was systematically studied. The films were polycrystalline in nature with cubic structure. The films formed at sputtering powers ≤0.76 W cm⁻² exhibited mixed phase of Cu₂O and CuO while those formed at 1.08 W cm⁻² were single phase Cu₂O. The single-phase Cu₂O films formed at a sputtering power of 1.08 W cm⁻² showed electrical resistivity of 46 Ω cm, Hall mobility of 5.7 cm² V⁻¹ s⁻¹ and optical band gap of 2.04 eV.     

固体氧化物燃料电池新型钙钛矿La0.9Ca0.1Fe0.9Nb0.1O3-δ阳极的制备及其性能研究

Ni-YSZ作为固体氧化物燃料电池(SOFCs)的传统阳极具有良好的催化性能, 但存在碳沉积、抗氧化还原能力差及硫毒化等问题, 因此钙钛矿型材料以其良好的催化活性及耐H₂S毒化能力而成为研究热点。为此, 本工作开发出了一种新型的Nb掺杂Fe基钙钛矿阳极材料La_0.9Ca_0.1Fe_0.9Nb_0.1O_3-δ。Fe位引入Nb显著地提高了材料在高温还原气氛中的结构稳定性, 而对材料的热膨胀行为影响很小, 掺杂前后材料的热膨胀系数分别为11.67×10^-6 K^-1和11.57×10^-6 K^-1。掺入Nb提高了阳极材料在还原气氛中的电导率, 该材料在800℃时氢气中的电导率为1.95 S/cm。测试结果表明, La_0.9Ca_0.1Fe_0.9Nb_0.1O_3-δ阳极在H₂和CO中均表现出优异的放电性能, 在800℃时放电功率分别达到539和491 mW/cm², 电池在CO中放电200 h性能无衰减, 显示出很好的长期稳定性。研究表明La_0.9Ca_0.1Fe_0.9 Nb_0.1O_3-δ是一种极具应用前景的新型钙钛矿阳极材料。