15、重掺杂多晶 SrTiO₃ 的热电性能研究

重掺杂多晶 SrTiO₃ 的热电性能研究

1. 引言

热电氧化物材料作为高温区域热电发电机的潜在候选材料，近年来备受关注。热电材料的效率可用优值 Z 来表示：
[Z = \frac{S^{2}\sigma}{k}]
其中，S 为塞贝克系数，σ 为电导率，k 为热导率。

具有层状结构的钴基氧化物，如 NaₓCoO₂、Ca₃Co₄O₉ 及其衍生物，是已知的高性能 p 型热电材料，但与之性能相当的 n 型氧化物材料尚未被发现。掺杂 SrTiO₃ 是极具潜力的 n 型热电材料之一。在 SrTiO₃ 的 Sr 位重掺杂 La 或在 Ti 位重掺杂 Nb 可获得高电导率，但热导率也较高，导致优值提升有限。而在 SrTiO₃ 的 Sr 位掺杂稀土元素可有效降低热导率，同时对 Sr 和 Ti 位进行共掺杂是提高优值的有效途径。

从缺陷化学角度来看，制备 n 型掺杂 SrTiO₃ 有两种方法。第一种是根据电子补偿机制确定成分，在还原气体中烧结、在高温 Ar 气中烧结或采用热压技术；第二种是采用空位补偿化合物，在较低温度的形成气体中烧结。本研究采用第二种方法，实现了 Sr 缺陷成分 Sr₁ – ₃ₓ/₂ – ₙ/₂DyₓTi₁₋ₙNbₙO₃。

2. 实验方法

• 样品制备 ：通过固态反应制备化学组成为 Sr(₁₋₁.₅ₓ₋₀.₅ₙ)DyₓTi₁₋ₙNbₙO₃ 的 Sr 缺陷多晶样品。烧结过程在形成气体（95%Ar + 5%H₂）中于 1450°C 下进行 4 小时。部分样品在 1400°C 空气中烧结，以研究烧结气氛对相结构和热电性能的影响。
• 结构