层状结构材料热传导性质的研究

发布时间：2020-10-09 18:28

　　近年来,现代工业的飞速发展导致能源问题日益凸显,发展清洁可再生的能源成为了科研工作者关注的重点,热电材料就是其中的热门领域之一。同时微电子器件的发展促进了科研工作者更加关注微纳尺寸热电材料的性能和应用,尤其是在热管理以及热耗散等方面性质的研究更是目前的热潮。这其中,层状材料具有独特的结构和化学组分,往往可以通过人为调控的手段而产生优异的热电性能。基于原子尺度上的元素调控思想,本文制备了一系列典型的层状材料晶体,利用时域热反射(TDTR)的方法研究了不同组分和结构下层状材料的本征热传导性质。主要包括:1、利用一系列基本的材料表征手段,我们系统地研究了材料的成分、组成和结构,以验证其具有良好的单晶特性。基于飞秒脉冲激光的时间分辨“泵浦-探测”技术,我们搭建了一套时域热反射测量(TDTR)平台。通过前期的调试、检测和标定,我们确保了 TDTR系统的测量精度、可靠性和稳定性。同时,我们还发展了皮秒激光超声和时间分辨的布里渊散射法,用于测量材料的弹性力学性质,为后续热输运性质的深入研究打下基础。2、我们利用助熔剂法制备了 BiAECoO(AE=Ca,Sr,Ba)的单晶材料体系,并采用TDTR方法测量了 c轴方向上的本征热导率(kc),发现BiAECoO单晶材料体系在室温下的热导率接近无序结构的最小热导率,同时也远低于之前文献报道的层状氧化物材料的最低热导率数值。基于声子热输运的动力学方程,配合材料表征和测试分析,我们将这种极低热导率的现象归因于失配界面和层间范德华弱相互作用力。此外,我们利用布里奇曼法制备了 SnSe单晶材料体系,发现选择合适的元素替位可以有效地降低该材料体系的热导率。总结这两个体系的研究结果发现:通过元素调节,我们可以改变材料的层间距、层间作用力、结构的适配度等性质,进而实现层状材料的热导率调控;同时,针对一些典型的“声子玻璃-电子晶体”的材料(BiAECoO体系),我们可以采用独立调节其电子和声子输运性质的方法,来探索和制备高热电性能的材料。3、我们用化学气相传输法制备ZrSiS和Zr/HfTe5单晶材料体系,通过TDTR测量了材料垂直方向上的本征热导率,发现ZrSiS单晶由于其c轴方向上较强的结合力作用而显示出大于常见准二维层状材料的热导率,表明该材料可用作于微电子器件的散热以及界面的匹配材料;而Zr/HfTe5单晶材料具有准一维和二维的结构特征,在b轴方向上具有高密度的层间界面,导致其层间热导率极低,使得该材料适用于器件的隔热、保温等方面的应用。总结这两个体系的实验测量与理论研究结果,我们发现元素调节可以实现层间距、层间作用力和热传导等方面的有效调制。因此,我们可以基于元素调节的思想实现材料的热输运和热电性质的人为调控,以设计和制备具有预期性质的功能材料,为实现在热电转换、隔热保温、器件热管理等方面的进一步应用打下坚实的材料基础。
【学位单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB383.4
【部分图文】：

热电发电,热电材料,效应

图１．１邋（ａ）热电材料的热电发电效应｜７丨。（ｂ）热电材料的热电制冷效应丨７］。逡逑能源材料的应用都是基于其能量的转化效率，热电材料的能量转化效率可以用热电逡逑优值（Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ邋Ｆｉｇｕｒｅ邋ｏｆ邋Ｍｅｒｉｔ，邋ＺＴ）来衡量，公式为：逡逑ＺＴ邋＝邋＾￣＾￣逦（１－１）逡逑Ｋ逡逑其中：ｓ为塞贝克系数，ａ为电导率，ｒ为绝对温度，Ｋ为热导率。ｚｒ值越高，材料的逡逑热电转换能力也就越好［１２，邋１３］。但是由于决定ｚｒ值大小的各个参数之间是相互制约的，逡逑因此现在还很难找到一种行之有效的方法在不影响其他参量的同时去单独调制其中一逡逑个量而提高材料的ｚｒ值［１４］。基于ｚｒ值的公式，一般来说，提高材料的热电转换效率逡逑的方式有两种：一是提高材料的功率因子（＆Ｖ），二是降低材料的热传导系数0ｃ）。然而，逡逑截至目前为止的文献报道，材料在室温下的Ｚｒ值最高也只能达到２．４，尚未达到符合逡逑商业大规模应用的条件（Ｚ７＞３），因此寻找和研究能够综合提高热电转化效率的材料体逡逑系成为热电领域发展的重点。逡逑

原理图,实验装置,原理图,振荡频率

合温度与时间的关系，最终就得到样品的热导率［６１］。逡逑接下来，简单地介绍四种实验室常见的热导率测量方法，它们的测量结构原理图如逡逑图１．４所示。逡逑１９８７年，Ｄ．邋Ｇ．邋Ｃａｈｉｌｌ第一次提出了主要应用于测量体块材料的３ｃｏ法，即对材料电逡逑极加上振荡频率为0）的交变电流，那么加热功率的振荡频率为２0＞，同时温度波动与电逡逑阻周期变化的振荡频率也是２ｃｏ，因此电流与电阻相乘得到了频率为３？的电压信号；逡逑通过分析该电压信号与热扩散模型之间的对应关系，就可以推导出材料的热学性质［６２］。逡逑简而言之，３ｃｏ法就是将周期性的热学响应转化为电学信号的检测方法，由于电学信号逡逑的测量稳定、精确，因而数据的采集和处理都会更加便捷准确。早期的３ｃｏ法实验测量逡逑工作都是围绕体块材料进行，随着测量手段的发展和进步，如今的３（0法已经能够广泛逡逑地应用于规则纳米材料热导率的测量工作［６３

模拟图,实验模拟,仪器设备,测量系统

逑２．１．１邋ＴＤＴＲ的原理和搭建逡逑ＴＤＴＲ测量平台的模拟图如图２．１所示。该实验采用的激光器为飞秒激光器逡逑（丁丨：８３？？１１丨代），其脉冲激光宽度为１７０色、重复频率为８０？＾？＾；在激光器出光口前，逡逑我们放置一个由光隔离器（Ｉｓｏｌａｔｏｒ）和半波片（Ｗａｖｅ邋Ｐｌａｔｅ）组成的光学隔离系统，激逡逑光经过光学隔罔系统后，再经过一个２邋ｍ焦距的准直透镜，然后被偏振分光镜（Ｐｏｌａｒｉｚｅｄ逡逑Ｂｅａｍ邋Ｓｐｌｉｔｔｅｒ，邋ＰＢＳ）分成两束偏振方向相互正交的激光，一束为栗浦光（Ｐｕｍｐ邋Ｂｅａｍ），逡逑一束为探测光（Ｐｒｏｂｅ邋Ｂｅａｍ）。分束后的泵浦光被电光调制器（ＥＯＭ）调制成周期性逡逑的射频正弦波，接着经过一个光学延迟器（Ｄｅｌａｙ邋Ｓｔａｇｅ，邋６００邋ｍｍ），以实现相对于探逡逑测光０？４邋ｎｓ的时间延迟，接着经过第二个ＰＢＳ的反射后垂直入射到样品表面。分束后逡逑的探测光先经过光学斩波器（Ｃｈｏｐｐｅｒ）的调制（１８５邋Ｈｚ左右），再经过一个５０：５０的逡逑分光镜（Ｂｅａｍ邋Ｓｐｌｉｔｔｅｒ

【参考文献】