PDF《Lu3+ 掺杂对 CdO 陶瓷电、热输运性能的影响∗》

17 (2014)

178102 和密度 d 根据公式 κ = DCpd 计算所得, 其中 D 由LFA457 型激光热导仪 (Netzsch, Germany) 测得, Cp 由DSC200F3型差示扫描量热仪(Netzsch, Ger- many) 测得, d 由阿基米德排水法测得. 测试结果 显示Cd1?xLuxO (x = 0, 0.1%, 0.5%, 1.0%, 1.5%, 2%)陶瓷样品的密度随 Lu3+ 掺杂量的增大而减小, 分别为8.16, 8.11, 7.99, 7.94, 7.78和7.5 g/cm3 .

3 实验结果与讨论 图1给出了不同Lu3+ 掺杂的Cd1?xLuxO (x = 0%, 0.1%, 0.5%, 1.0%, 1.5%, 2%)陶瓷样品的 XRD 图谱. 谱线中所有的衍射峰均可以标定为立 方相的 CdO, 空间群为 Fm? 3m (225), 对应于 XRD PDF 标准卡片 PDF#780653. 除了 CdO 的特征衍 射峰外, 在图

1 中没有观测到其他相的衍射峰, 表明Lu3+ 掺入到了 CdO 晶格里面, 而不是以 Lu2O3 等第二相的形式存在于样品当中. 图1(网刊彩色) Cd1?xLuxOde XRD 图谱 (其中 a―f 分 别对应 Lu3+ 掺杂量 x = 0, 0.1%, 0.5%, 1.0%, 1.5%, 2% 的 样品) 图2Cd1?xLuxO 的室温载流子浓度和霍尔迁移随 Lu3+ 掺杂量的变化关系曲线 霍尔效应测试表明上述样品均为 n 型导电. 图2给出了室温下 Cd1?xLuxO 陶瓷样品的载流子 浓度和霍尔迁移率随 Lu3+ 掺杂量 x 的变化关系曲 线. 一方面, 随着 Lu3+ 掺杂量的增多, 样品的载流 子浓度持续增大, 这是由于三价的 Lu3+ 替代了二 价的 Cd2+ 使CdO 中多出一个额外的电子所致;

另 一方面, 随着Lu3+ 掺杂量的增多, 样品的迁移率先 增大后减小. 当x=0.01 时, 迁移率达到最大值, 约为

258 cm2 /V・s. 对于 TCO 材料, 其载流子散射 机理主要包括晶格散射, 离化杂质散射和晶粒边界 散射 [13] . 室温下热激发的声子数目较少, 晶格散 射对该温度区间内载流子迁移率的影响较小, 可以 忽略不计;

而晶界散射机理也只有在晶粒尺寸较 小和载流子浓度较低时才会起主导作用. 本工作 中, Cd1?xLuxO 陶瓷样品的晶粒尺度为微米量级, 载流子浓度为

1020 cm?3 量级, 因此晶界散射对迁 移率的影响较小;

对于单一杂质样品, 离化杂质散 射随着载流子浓度增加而增强, 从而使迁移率随载 流子浓度的升高而下降. 但Cd1?xLuxO 存在两种 价态的离化杂质, 即有效电荷为 +2 价的镉间隙原 子Cdi 或氧空位 VO 以及有效电荷为 +1 价的 Cd2+ 位替代的 Lu3+ . 根据 Matthiessen 定则, 两种离化 杂质散射对应的迁移率可表示为 ??1 ii = ?ii0(n)?1 Z2 D1ND1 + Z2 D2ND2 n (ZD1, ZD2 和ND1, ND2 分别为离化杂质价态和浓 度, n 为总的载流子浓度), ?ii0(n) 为简并条件下 的Brooks-Herring 离化杂质散射迁移率) [14] . 假设 Cd1?xLuxO 中二价离化杂质数目等于未掺杂 CdO 的氧空位或者镉间隙位数, 且不随 Lu3+ 掺杂改变. 从上式可以看出, 在相同载流子浓度情况下, 迁移 率在存在 +1 离化杂质时会高于只有 +2 价离化杂 质的体系. 因此, Cd1?xLuxO 迁移率会随 Lu3+ 掺 杂增加而增加. 但随着 Lu3+ 掺杂的增多, 可能发 生掺杂离子团簇化, 使其有效电荷大于+1, 散射增 强, 因此迁移率随后减小. 图3为Cd1?xLuxO(x=0%, 0.1%, 0.5%, 1.0%, 1.5%) 陶瓷样品电阻率随温度的变化曲线. 可以看 出, 所有样品的电阻率 -温度 (ρ-T) 变化曲线均表 现为金属导电特性, 即电阻率随着温度的升高而 增大, 这种 ρ-T 变化特性与其他 TCO材料如 In2O3 的类似 [15] . 此外, 样品的电阻率随着 Lu3+ 掺杂量 的增大而逐渐降低, 当掺杂量达到 0.02 时, 电阻率 又开始增大. 未掺杂的 CdO 的电阻率在