PDF《Lu3+ 掺杂对 CdO 陶瓷电、热输运性能的影响∗》

物理学报Acta Phys.

Sin. Vol. 63, No.

17 (2014)

178102 Lu3+ 掺杂对CdO陶瓷电、 热输运性能的影响? 董国义 李龙江 吕青 王淑芳 戴守愚 王江龙? 傅光生 (河北省光电信息材料重点实验室, 河北大学物理科学与技术学院, 保定 071002) (

2014 年2月19 日收到;

2014 年5月13 日收到修改稿 ) 利用传统固相烧结法制备了 Cd1?xLuxO (x = 0%, 0.1%, 0.5%, 0.75%, 1.0%, 1.25%, 1.5%, 2%) 陶瓷样品 并研究了 Lu3+ 掺杂对其电、 热输运性能的影响. 随着 Lu3+ 掺杂浓度的增大, Cd1?xLuxO 样品的室温载流子 浓度持续增大而其迁移率表现出先增大后减小的趋势. 在300―1000 K 测试温度区间内, Cd1?xLuxO 的电导 率表现出金属电导行为且其电导率和热导率均随着 Lu3+ 掺杂浓度的增大而升高;

塞贝克系数在整个测试区 间内均为负值, 其随温度和载流子浓度的变化关系可用自由电子模型描述. 关键词: CdO 陶瓷, 电、 热输运, 半导体掺杂 PACS: 81.05.Hd, 72.80.Ga, 72.20.Pa DOI: 10.7498/aps.63.178102

1 引言透明导电氧化物 (transparent conducting ox- id,TCO) 是一种在可见光区具有高透射率及高电 导率的功能材料 [1] . n 型半导体 CdO 作为一种常 见的 TCO 材料, 被广泛地应用于太阳能光伏器件 及导电复合材料等诸多领域 [2?5] . 除了用作 TCO 材料外, 最近我们实验发现 CdO 还表现出优良的 高温热电性能,

1000 K 时CdO 陶瓷样品的无量纲 热电优值 ZT 约为 0.3 [6,7] , 可以和新型 n 型氧化物 热电材料掺杂钛酸锶相比拟 [8?11] . 相比于其他热 电材料, TCO 基热电材料更容易实现和传统光电 材料的复合, 在实现对太阳能光谱高效利用方面具 有潜在的应用价值. 对于未掺杂的 CdO, 其载流子 主要来源于 Cd 间隙位或氧空位形成的施主杂质. 适量的稀土元素掺杂可进一步增大 CdO 的载流子 浓度, 提高其电导率, 从而改善 CdO 作为 TCO 材 料的电学性能 [12] . 此外, 稀土元素掺杂还会调节 CdO 的塞贝克系数和热导率, 影响其热电性能. 本 文研究了不同浓度 Lu3+ 掺杂对 CdO 陶瓷样品高 温电导率、 塞贝克系数及热导率的影响及其物理变 化规律. 同时, 我们对 Lu3+ 掺杂对 CdO 陶瓷材料 的室温迁移率的影响也进行了详细的研究.

2 实验方法 Cd1?xLuxO (x=0%, 0.1%, 0.5%, 0.75%, 1.0%, 1.25%, 1.5%, 2%) 陶瓷样品利用传统的固 相反应烧结法制备而成. 将CdO(99.95%, Alfa Ae- sar) 和Lu2O3 (99.99%, Alfa Aesar) 粉末按原子摩 尔计量比称量配料, 以酒精作为球磨介质球磨

2 h, 待粉料烘干后, 用6MPa 的压力把其压制成直径 为12 mm 的圆片. 将上述圆片放入马弗炉中, 在900 ? C 空气环境下烧结

20 h, 得到不同 Lu3+ 掺杂 比例的CdO多晶陶瓷样品. 样品的晶体结构由 Bruker D8 型X射线粉末 衍射仪测得. 室温载流子浓度和迁移率采用范 德堡法在 ET-9000 电输运测量系统上测得. 电阻 率和塞贝克系数采用四点法在 LSR-800 型热电 测量系统 (Linseis, Germany) 上测得, 测试温区为 300―1000 K. 热导率 κ 由热扩散系数、 比热容 Cp ? 国家自然科学基金 (批准号: 51372064)、 河北省杰出青年科学基金 (批准号: 2013201249) 和河北自然科学基金 (批准号: A2014201176) 资助的课题. ? 通讯作者. E-mail: [email protected] ?

2014 中国物理学会 Chinese Physical Society http://wulixb.iphy.ac.cn 178102-1 物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 63, No.