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新型拓扑半金属TaP的合成和热电性能初探开题报告

 2020-02-10 10:02  

1. 研究目的与意义(文献综述)

能源匮乏和环境污染问题对新能源的发展提出了严峻的挑战,航天技术、微电子技术的发展使新能源得到了广泛的关注。热电材料具有体积小、质量轻、无污染、稳定性好等优点,引起了研究者的广泛关注。

热电材料是一种热能和电能之间可以相互转换的材料。由于材料两端温度不同,载流子产生定向移动从而产生电流或者载流子在一端堆积,材料两端便产生电压,形成一定的电势场[1]

热电效应是电流引起的可逆热效应与温差引起的电效应的总称,包括seebeck效应、pehier效应和thomson效应[2]。seebeck效应是1821年由德国物理学家塞贝克发现的,在两种不同的金属所组成的闭合回路中,当两接触处的温度不同时,回路中会产生一个电势,在此过程中热能转换成电能。pehier效应是1834年由法国科学实验家珀耳帖发现的,在两种不同金属构成的闭合回路中通直流电,两个金属接头处产生温度差,在此过程中电能转换为热能。thomson效应是指电流通过存在温度梯度的金属棒时,除了产生一定的焦耳热外,金属棒本身还会吸收或放出一定的热量[3]

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2. 研究的基本内容与方案

[1]设计的基本内容

热电材料是一类可实现热能和电能之间直接可逆转换的新型能源材料,开发高性能和低成本的新型热电材料是热电材料研究领域的重要课题。本研究拟采用固相反应结合等离子活化烧结技术制备拓扑半金属TaP多晶材料,探索拓扑半金属TaP多晶材料的最佳合成工艺,测量和评估其热电输运性能,进而验证其应用于热电材料领域的可行性。研究的主要内容如下:

材料制备:利用固相反应结合等离子活化烧结技术制备拓扑半金属TaP热电材料。

材料表征:试样的相组成通过粉末X射线衍射法(XRD,PANalytical:Empyrean, Cu K)确定;试样的密度由阿基米德排水法测得;烧结后块体的微观结构通过场发射扫描电镜(FESEM,HitachiSU-8020)和高分辨透射电镜(HRTEM,JEM-2100F)观测。热电性能表征,电导率(s)和Seebeck系数(a)是在ZEM-3型热电性能测试仪上测量得到;热导率(k)通过热扩散系数(l)、热容(Cp)和密度(d)使用公式k=lCpd得到,其中l采用激光热导仪(Netzsch LFA 457)测得,Cp使用差式扫描量热仪(TA Instruments Q20)测得,测试的温度范围为300-930K,密度d利用Archimedes原理采用排水法测得;低温(10 K~300 K)霍尔系数(RH)和电导率(s)用综合物理性能测试仪PPMS测量得到,对应样品的空穴浓度(n)和空穴迁移率(mH)可通过以下公式计算得到:n=1/|eRH|和μH=σ/en。

[2]研究目标

1. 探索固相反应结合等离子活化烧结技术制备拓扑半金属TaP的最佳工艺;

2. 对拓扑半金属TaP多晶材料的热电输运性能进行表征和评估;

3. 通过掺杂优化拓扑半金属TaP的热电输运性能。

[3]技术路线

1、采用固相反应结合等离子活化烧结技术制备拓扑半金属TaP材料:将原料粉末按照化学计量比在手套箱中进行配比并充分混合均匀,置入模具中,人工压制成符合大小要求的坯体。将试样置于真空密封的试管中在800℃下反应48小时后取出,研磨成细粉。之后在高温高压下进行PAS反应,PAS反应完成后将样品切割成薄条,得到致密的拓扑半金属TaP材料产物。通过改变工艺参数(升温速率、反应温度,PAS烧结温度、烧结压强等)以及样品成分组成重复试验,得到不同的拓扑半金属TaP热电材料制品。

2、材料表征和热电性能测试:探究不同工艺参数对试样相组成、微结构以及热电性能的影响。





3. 研究计划与安排

2018.09.27 - 2018.10.09(第4~5周)查阅相关文献资料,了解拓扑半金属tap材料当前的研究进展,熟悉并掌握各种实验设备和测试仪器的操作,撰写开题报告。

2018.10.10 - 2018.10.23(第6~7周)样品试制阶段,根据实验情况调整方案。

2018.10.24 - 2018.11.16(第8~10周)样品制备阶段,利用空闲完成英文翻译。

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4. 参考文献(12篇以上)

[1]周强, 梁蓓, 邹四凤,等. 热电材料的研究进展[j].电子科技, 2015, 28(5):172.

[2] 朱文, 杨君友, 崔昆,等. 热电材料在发电和制冷方面的应用前景及研究进展[j]. 材料科学与工程学报, 2002, 20(4):585-588.

[3] 陈晓阳. lixnaycoo2的制备和热电性质[d].浙江大学, 2006.

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