论文总字数：16757字

摘 要

当今社会科学技术进展迅猛，对于能源形式的研究也越加深入。随着人类的社会发展观念的改变，可持续发展和环保成为当今社会的头等问题。因此，传统的不可再生能源如石油、天然气等应该在未来的几十年间渐渐被新的能源形式所取代。而且，传统能源对环境的影响巨大，污染空气和海洋，新的关于能源的研究已经迫在眉睫。

热电材料在最近的几十年中越来越受到人们的重视。热电材料相比传统能源，具有污染少、制备工序少、适用范围广、适用条件宽泛等优点。所以各国对热电材料都有大量研究。热电材料种类很多。氧化物热电材料作为其中的一种，具有耐高温、制备便宜等优点。

本文用稀土元素Dy掺杂CaMnO₃制得样品，用XRD和PPMS等设备测量其结构和热电势等数据。最终得出能使样品的热点优值最大时Dy元素的掺杂量和样品所处的温度，结果为Dy元素的掺杂量为0.10时样品热电优值最大，温度为1000 K。

关键词：能源 氧化物 热电材料 掺杂 热电优值

Abstract

Now, the rapid development of science and technology, research on new energy forms is also deepening. With the change of human social development concept, sustainable development and environmental protection have become top issues in today’s society. Therefore, traditional non-renewable energy sources such as oil and natural gas should gradually be replaced by new forms of energy in the coming decades. Moreover, traditional energy sources have a huge impact on the environment, polluting the air and the oceans, the new research on energy is imminent.

Thermoelectric materials have received increasing attention in recent decades. Compared with traditional energy sources, thermoelectric materials have the advantages of less pollution, fewer manufacturing processes, wide application range, and wide application conditions. So all countries have a lot of research on thermoelectric materials. There are many kinds of thermoelectric materials. As one of the oxide thermoelectric materials, it has the advantages of high temperature resistance, low cost, and the like.

In this paper, samples of rare earth elements Dy doped CaMnO₃ were prepared, XRD and PPMS were used to measure the data such as its structure and thermoelectric potential. Finally, the doping amount of the Dy element and the temperature at which the sample is located can be obtained when the hottest value of the sample can be maximized. As a result, when the doping amount of Dy is 0.10, the sample has the highest thermoelectric value and the temperature is 1000K.

Key words：Energy, Oxide, Thermoelectric material, Doping, Thermoelectric value.

目录

摘要 I

Abstract II

第一章绪论 1

1.1引言 1

1.2发展历程 1

1.3基本理论 3

1.3.1塞贝克效应 3

1.3.2帕尔贴效应和汤姆逊效应 4

1.4研究内容与研究意义 4

1.4.1研究内容 4

1.4.2研究意义和发展趋势 5

第二章实验方法和样品的制备过程 6

2.1实验方法——固相反应法 6

2.2样品制备 6

2.2.1实验原料 6

2.2.2实验用具 7

2.2.3样品制作 7

2.3样品的热输运性能的测量方法 9

2.3.1PPMS简介 9

2.3.2TTO系统 9

2.4样品的结构分析 10

2.4.1X射线衍射法 10

2.4.2Ca_1-xDy_xMnO₃样品的分析结果 11

第三章样品的低温电输运性能 13

3.1常见的输运模型 13

3.1.1热激活导电模型 13

3.1.2绝热小极化子模型 13

3.1.3Mott变程跳跃导电模型 13

3.2Ca_1-xDy_xMnO₃样品的低温电阻分析 13

3.2.1 Ca_1-xDy_xMnO₃样品的电阻率 14

3.3小结 15

第四章Ca_1-xDy_xMnO₃的高温热电性能 16

4.1Ca_1-xDy_xMnO₃高温热电性能测试方法 16

4.2样品的高温热电性能分析 16

4.2.1电阻率分析 16

4.2.2热电势分析 17

4.2.3热导率分析 18

4.2.4功率因子的分析 19

4.2.5热电优值ZT的分析 19

4.3小结 20

第五章结论 21

参考文献 22

致谢 25

第一章 绪论

1.1引言

自从工业革命打开现在科学的大门之后，人类的社会形式发生巨大变化，但是在科学技术指数型发展的今天，能源作为文明前进的动力，一些矛盾越来越显现出来。现在生活中用的大部分能源都在不可再生能源，比如石油和煤炭等。但是，这些传统的资源在使用的过程中会造成地球环境的巨大污染，现在这些能源已经在慢慢侵蚀人们的生活。所以人类要持续发展，就需要新的能源形式。2011年全球能源消耗约为122.7亿吨标准油，其中化石类能源石油、煤、天然气所占比重约为87％^[1]。新的能源形式中分为许多种，例如太阳能就是一种清洁的能源，后来人类发现热电材料作为一种新的能源形式具有许多优点，热电材料的最主要特点是能够把热电直接变为电能^[2]。这种材料的主要用途是工业余热发电和制冷^[3~6]，热电材料具有广泛的优点，例如生活中或工业中产生的废热可以直接被它转化为有用的能源——电能。除此之外，它也在一些高科技如航空航天、探险等领域发挥着重要作用。热电材料的工作环境适应性强，可以再高温条件下工作。热电材料更是具有环保性，不会对环境造成严重危害，在科学技术高度发达的当今，人类已经迫切需要研究清洁能源以保证长远的发展和人与自然的和谐性，因此，热电材料越来越受到人们的重视，全世界各地都对其有大量的研究。最近几年，热电材料已经成为世界材料研究的最主要的几个课题之一^[7~8]。

1.2发展历程

Altenkirch第一个提出了热电发电的理论，他是德国的物理学家。之后他又建立了相关的原理。而现今应用最多的热电材料大多数是金属化合物和固溶体合金材料，但是它们有很大的缺点，如制备复杂、价格贵、对人体有害，在高温条件下工作时容易分解。于是近年来，寻找新的热电材料迫在眉睫。研究发现，Co的氧化物比如NaCo₂O₄等材料的热电性能比较优异，它们在高温条件下工作时有比较好的热稳定性和化学稳定性。自从Kobayashi et al 发现La掺杂的CaMnO₃可以作为热电材料之后，Ohtaki et al^[9]对CaMnO₃的掺杂进行的非常详细的研究，研究表明不同的掺杂元素会导致材料的热电性能有巨大的差距。后来发现如果在Ca位进行掺杂就会使材料的电阻率变小。与此同时，样品的塞贝克系数也会有一个比较大的数值，这立刻引起了许多研究者的关注。Flahaut et al^[10]对稀土元素掺杂的多晶Ca_0.9Re_0.1MnO₃样品进行的研究，发现样品的热电优值很大，可以达到0.16，这是到现在为止发现的最大无量纲优值,无量纲优值是由物理学家Ioffe^[11]提出的。现在我们希望能够找到最好的数值使得塞贝克系数、电阻率和热导率的相互影响降到最低，希望能达到最大的无量纲优值。20世纪邻近结束的时候，人们发现了一种特殊的降低电阻的方法^[12]。人们发现填充型Skutterudite化合物R_xCo₄Sb₁₂^[13~15]和Clathrate化合物^[16]都有一个比较大的ZT值，第二种化合物的结构是笼状的。21世纪的晨光刚刚出现之时，Shi等报道，在Skutterudite化合物中同时掺杂Ba、La和Yb，掺杂的位置放置在2A位置。这样的话，热电优值能有1.7(850K)^[17]。

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