缺陷诱导纳米氧化物（ABO_x）室温磁性和铋硫化合物各向异性热电性能研究

发布时间：2017-07-30 00:19

  本文关键词：缺陷诱导纳米氧化物（ABO_x）室温磁性和铋硫化合物各向异性热电性能研究

  更多相关文章： 纳米氧化物ABOx 铋硫化合物 铁磁 光学 热电

【摘要】：未来技术的挑战,它不仅可以控制电子电荷,而且还能操纵电子自旋,电子量子态以及光子。鉴于低能消耗,高速传输和大规模集成器件的需求,自旋电子学便诞生,它体现自旋和电荷的协同作用和多功能使用。磁半导体,它拥有高于室温的居里温度,同时也是实现自旋器件的可靠侯选者。由于在下一代多功能自旋器件中的潜力应用,稀磁半导体(DMSs)已经广泛地受到关注。尽管掺杂过渡金属(TM),是一种获取稀磁半导体的方法,但是这种方法有着自己的缺点,掺杂可能导致二次相和团簇的存在。但是,由于过渡金属的低溶解度,二次相和团簇的存在,它们将会限制稀磁半导体的实际应用和复杂磁信号的解释。采用缺陷掺杂,而不是过渡金属掺杂,将会排除二次相和团簇的干扰。基于纳米氧化物ABOx,我们选取Ba Nb O3、Ba Mo O4、Cd WO4作为研究对象。由于化石燃料的需求和燃烧,导致环境恶化,以及对能源的需求增长,迫使我们寻找新的能源,尤其是洁净和可再生的能源。由于在洁净和可再生能源方面的潜在应用,热电材料受到大量的关注,它可以将热能和电能进行可逆的转化。但是,由于实验条件的限制,我们没有找到产生最大热电优值的最佳温度和载流子浓度。因此,为了提高热电优值以及为实验提供一个理论引导,我们有必要研究关于温度和载流子浓度的热电性质。基于铋硫化合物,我们选择Bi2S3、Bi2O2Se、Bi2Se3作为研究对象,研究其相关的热电性质。本论文的主要研究结论总结如下:(1)在UV照射前后,我们研究钙钛矿Ba Nb O3立方块的光学和磁学性质。在UV照射后,样品的带隙从3.94 e V减小到3.88 e V,而且在可见光范围,样品的吸收能力增强。X射线电子能谱图(XPS)揭示,样品含有氧空位。经过磁学性能测试,样品表现出弱的铁磁行为,经过UV照射后,样品的饱和磁矩从4.34×10-3 emu/g增加到6.60×10-3 emu/g。第一性原理计算表明,样品的磁性是由两个带电的氧空位2 2O1 O5V V++-导致的,它迫使极化电子占据氧空位附近Nb原子的d轨道。UV照射可以使样品产生氧空位,当样品的氧空位浓度增加时,总磁矩从0.942μB增加到1.76μB,理论结果很好地符合实验结论。(2)稀磁半导体(DMSs),拥有高于室温的居里温度,在技术和多功能方面有着重要的应用。缺陷工程是一种有效的方法,在多种非磁性的体系中,引入铁磁行为。在这里,我们第一次报道拥有氧空位的Ba Mo O4样品显示铁磁行为。第一性原理计算表明,氧空位应该对发现的铁磁行为负责。当一个氧空位引入计算的体重庆大学博士学位论文系时,Mo 4d的相关电子占据态是1 02 g gte-,产生1.0μB的磁性;当两个氧空位引入计算的体系时,Mo 4d的相关电子占据态是2 02 g gte-,产生2.0μB的磁性。因此,产生磁性的机理是,未成对电子占据d轨道,处于高自旋态,进而显示铁磁行为。我们的发现证明,室温铁磁行为可以通过缺陷工程进行引入。(3)我们通过水热法,在200℃的条件下,合成宽为80纳米,长为300纳米的单斜相Cd WO4纳米棒。在0 K到300 K的温度范围,我们研究依赖温度的光致发光性质,光谱显示两个峰,438 nm(2.83 e V)和490 nm(2.53 e V)。我们发现,438 nm和490 nm峰的发光强度,随着温度上升,而下降。这种强烈地依赖温度的发射强度是由于非复合的热淬灭导致的。强烈依赖温度的发射峰,可以采用电声耦合进行解释。理论证明,0OV和1OV+分别导致438 nm和490 nm的峰。另外,我们发现,在氧空位1OV+附近,未填满的W t2g拥有一个电子,显示高自旋态,表现出磁性,却被磁性测试所证明。Cd WO4纳米棒,在没有任何磁性离子存在的情况下,实现室温铁磁行为。(4)我们研究Bi2S3材料的电子结构和热电性质。Bi2S3材料的电子和空穴的有效质量详细地被分析,从分析中,我们知道,在不同的方向,Bi2S3材料有着不同的热电行为,在ac平面,较高的热电优值可能取得。对电子掺杂的Bi2S3材料,最佳载流子浓度是1.0×1019 cm-3-5.0×1019 cm-3,在这个浓度范围内,最大的热电优值,ZT=0.21。考虑到热电性质的各向异性,在ZZ方向,我们可以取得最大的热电优值ZT=0.36.(5)基于第一性原理和玻尔兹曼输运理论,我们讨论Bi2Se3单层依赖温度和载流子浓度的热电性质。当载流子浓度固定在3.24×1018 cm-3时,温度在900K时,我们可以取得,最大热电优值ZT=19,然而考虑到各向异性时,在XX方向,我们可以取得,最大的热电优值ZT=25。当载流子浓度可以变化时,在4×1019 cm-3和900K的时候,我们可以取得,最大的热电优值ZT=38,然而考虑到各向异性时,在YY方向,我们可以取得,最大的热电优值ZT=72。与实验数据相比,我们发现计算结果粗糙地符合实验结果,意味着计算的合理性。除了石墨烯外,更多的二维材料应该被关注,我们的计算结论,为探索高效率的热电材料提供一条路径。(6)采用Tran-Blaha修改的Becke-Johnson(TB-m BJGGA)势和玻尔兹曼输运理论,我们计算Bi2O2Se的电子结构和传输性质。在压缩压力和拉伸应力作用下,Bi2O2Se的带隙减小。通过理论计算,我们预测:在n型掺杂中,压缩应力使塞贝克系数增大;在p型掺杂中,拉伸应力使塞贝克系数增大;在n型掺杂中,压缩应力使功率因子增大;在p型掺杂中,拉伸应力使功率因子增大。在p型掺杂的Bi2O2Se中,在拉伸应力(2.3%)的情况下,我们可以取得,最大的热电优值ZT=1.42,考虑各向异性时,在ZZ方向,ZT=1.76,证明Bi2O2Se是一种优良的热电材料。理论计算证明,应力工程可以改良热电材料的电子结构和热电性质,为提高热电材料的热电优值,提供一个思路。
【关键词】：纳米氧化物ABOx 铋硫化合物 铁磁 光学 热电
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O482
【目录】：

• 中文摘要3-6
• 英文摘要6-12
• 1 绪论12-36
• 1.1 自旋电子学简介12-16
• 1.1.1 自旋电子学概念12-14
• 1.1.2 自旋电子学的进展14
• 1.1.3 自旋电子学的尺度14-16
• 1.1.4 新一代自旋电子学16
• 1.2 热电效应简介16-19
• 1.3 半导体的热电性质19-32
• 1.3.1 玻尔兹曼输运理论19-22
• 1.3.2 改善半导体热电性质的方法22-32
• 1.4 本文的研究内容及创新点32-36
• 2 氧空位诱导立方相BaNbO_3的磁性研究36-56
• 2.1 研究背景36
• 2.2 材料的制备36-42
• 2.2.1 材料的制备36-37
• 2.2.2 材料的表征37-42
• 2.3 理论计算细节42-43
• 2.4 光学和磁学性质43-54
• 2.5 本章小结54-56
• 3 氧空位诱导四方相BaMoO_4的磁性研究56-76
• 3.1 研究背景56
• 3.2 材料的制备56-62
• 3.2.1 材料的制备56-57
• 3.2.2 材料的表征57-62
• 3.3 理论计算细节62-63
• 3.4 光学和磁学性质63-74
• 3.5 本章小结74-76
• 4 氧空位诱导单斜相CdWO_4的磁性研究76-100
• 4.1 研究背景76
• 4.2 材料的制备76-83
• 4.2.1 材料的制备76-77
• 4.2.2 材料的表征77-83
• 4.3 理论计算细节83
• 4.4 光学和磁学性质83-99
• 4.5 本章小结99-100
• 5 Bi_2S_3 各向异性热电性能研究100-112
• 5.1 研究背景100
• 5.2 理论计算细节100-102
• 5.3 电子结构102-105
• 5.4 热电性质105-111
• 5.5 本章小结111-112
• 6 Bi_2Se_3 单层各向异性热电性能研究112-128
• 6.1 研究背景112
• 6.2 理论计算细节112-114
• 6.3 电子结构114-116
• 6.4 热电性质116-126
• 6.5 本章小结126-128
• 7 Bi2_O_2Se各向异性热电性能研究128-152
• 7.1 研究背景128
• 7.2 理论计算细节128-129
• 7.3 电子结构129-133
• 7.4 热电性质133-150
• 7.5 小结150-152
• 8 结论与展望152-156
• 8.1 主要结论152-154
• 8.2 展望154-156
• 致谢156-158
• 参考文献158-172
• 附录172-173
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录172-173
• B. 作者在攻读博士期间掺加的科研项目及得奖情况173
• B.1 主持项目173
• B.2 掺与项目173
• B.3 获奖情况173

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 张鹏翔;表面磁性的新探针──极化低能正电子[J];物理;1983年05期

2 吴昌衡,庄育智;稀土-过渡金属化合物结构和磁性研究简介[J];物理;1990年02期

3 钟文定 ,杨正;锰铋合金在不同热处理后的磁性研究[J];物理学报;1962年04期

4 Robert S.Carmichael;余钦范;;岩石与矿物的磁性[J];国外地质勘探技术;1990年06期

5 李色篆,张益民;金属矿床岩矿石磁性研究方法及应用[J];物探与化探;1984年05期

6 李爽;;拆拼搭合，感受神奇的分子磁性世界——访北京大学化学与分子工程学院院长高松教授[J];中国科技奖励;2007年10期

7 李色篆,张益民;金属矿床岩矿石磁性研究方法及应用[J];物探与化探;1984年04期

8 锺文定;杨正;;锰铋合金的磁性及相变动力学[J];兰州大学学报;1961年03期

9 孙强,龚新高,郑庆棋,孙强,王广厚;复合银团簇的磁性研究[J];科学通报;1996年08期

10 杜庆立,赵子强,韩朝晖;Co-Ag嵌埋团簇薄膜的磁性研究[J];功能材料;2000年05期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 段纯刚;;电控磁性研究的最新进展[A];2011中国材料研讨会论文摘要集[C];2011年

2 高恩庆;王艳琴;李修兵;;混金属型单链磁体的磁性调控初探[A];第六届全国物理无机化学会议论文摘要集[C];2012年

3 刘建强;侯万国;颜世申;代由勇;;Co-Fe-LDH的制备及其煅烧产物的磁性研究[A];中国化学会第十二届胶体与界面化学会议论文摘要集[C];2009年

4 李钰梅;邢光建;王怡;武光明;;室温铁磁性Zn1-xCoxO薄膜的制备及磁性研究[A];第十四届全国等离子体科学技术会议暨第五届中国电推进技术学术研讨会会议摘要集[C];2009年

5 孟昭莎;童明良;高松;;系列稀土-镉异金属簇合物的合成、结构与磁性研究[A];中国化学会第29届学术年会摘要集——第06分会：稀土材料化学及应用[C];2014年

6 王玲玲;胡望宇;舒小林;盛霞;张邦维;;Fe-Sn-B合金镀层的磁性[A];第三届中国功能材料及其应用学术会议论文集[C];1998年

7 邢宏珠;苏钽;朱恩博;杨玮婷;赵朗;唐金魁;于吉红;徐如人;;18-元环超大孔亚磷酸镍的离子热合成与磁性表征[A];第十五届全国分子筛学术大会论文集[C];2009年

8 马旭村;H.L.Meyerheim;J.Barthel;J.Kirschner;;磁纳米条纹的有机图案模板法制备、微结构和磁性研究[A];科技、工程与经济社会协调发展——中国科协第五届青年学术年会论文集[C];2004年

9 崔光磊;顾民;于尧;;氢气氛下紫外光辐照C_(60)的磁性研究[A];第十五届全国波谱学学术会议论文摘要集[C];2008年

10 赵蓓;李慧军;贾艳媛;侯红卫;;包含不同螺旋的1D-3D Mn配合物的设计、合成及磁性研究[A];中国化学会2013年中西部地区无机化学化工学术研讨会论文集[C];2013年

中国重要报纸全文数据库 前1条

1 本报记者 王皓;为探索分子磁性奥秘不断前行[N];北京日报;2011年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 郭东林;缺陷诱导纳米氧化物（ABO_x）室温磁性和铋硫化合物各向异性热电性能研究[D];重庆大学;2015年

2 文剑锋;石墨基碳材料及其氮掺杂体系的磁性研究[D];南京大学;2012年

3 高乔;多钼钒氧簇配合物的合成、晶体结构和性质研究[D];东北师范大学;2015年

4 曹为民;电结晶制纳米金属多层膜及其磁性的研究[D];上海大学;2009年

5 马继;具有自旋玻璃行为的氧化铁的制备及其磁性能研究[D];青岛科技大学;2013年

6 高茜;ZnO基稀磁半导体磁性机制的实验研究与数值模拟[D];东北大学;2011年

7 郑富;铁钴基合金薄膜的静态与动态磁性研究[D];兰州大学;2012年

8 仝玉章;氰根及含氮多元环配体构筑的单离子磁体及磁性分子的合成、结构及性质研究[D];南开大学;2014年

9 王心华;异质结构纳米材料的磁性调控研究[D];兰州大学;2014年

10 杨凯;新型环状多胺夹层化合物的设计、合成与性能[D];武汉大学;2004年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 张晓敏;双重分子磁开关的分子设计与磁性研究[D];东华理工大学;2015年

2 李锐;易面型(Ce_(1-x)Sm_x)_2Fe_(17)N_(3-δ)及Y_2Fe_(14-x)Co_xB微粉复合材料的微波磁性研究[D];兰州大学;2015年

3 范必强;电沉积稀土-铁族磁性合金膜及其磁性能探究[D];福建师范大学;2010年

4 陈正阳;成分与组织对爪极用钢磁性能影响的研究[D];辽宁工业大学;2015年

5 周燕;过度金属及其双金属纳米团簇的结构与磁性关系的第一性原理研究[D];华东理工大学;2013年

6 江涌;SrFe_(12)O_(19)/NBR磁性纳米橡胶的制备与性能研究[D];中北大学;2011年

7 李容;基于Monte Carlo模拟的Ca_3Co_2O_6低温磁性研究[D];兰州大学;2009年

8 佟佳;磁性壳聚糖的制备及其在环境分析中的应用[D];东北林业大学;2014年

9 邵晓丹;非磁性离子氧化物ZnO电子结构与磁性的研究[D];吉林大学;2008年

10 李志蓉;毛细管磁泳分离方法研究[D];云南大学;2012年

，

本文编号：591738