固相燒結法合成硫和鍶共摻雜之鉍銅硒氧化合物及其熱電性質研究

Abstract

近年來，能源危機與環保議題讓人們開始尋求潔淨的替代能源以求永續發展。熱電材料可以利用廢熱，透過溫差致電的方式發電，而氧化物熱電材料，更具有低汙染性、工作溫度高、製程簡易等優點。其中，鉍銅硒氧則為近年文獻研究中極具潛力的氧化物熱電材料。 鉍銅硒氧為P型半導體，擁有特殊的層狀結構，由絕緣層[Bi2O2]2+ 與導電層[Cu2Se2]2- 沿C軸相互交疊而成，絕緣層作為儲存載子的地方，導電層則是載子流動的地方，此結構造就了鉍銅硒氧的高席貝克係數與低熱傳導係數，諸多文獻利用摻雜低價數離子的方式(如Sr2+、Ba2+、Ca2+) 增加載子濃度以提升其電導率，或透過摻雜硫導入缺陷增加聲子散射以降低熱傳導率，最終目的都是提升其熱電轉換效率。 本研究使用固相反應燒結法合成出共摻雜鍶與硫的鉍銅硒氧多晶塊材。並利用X光繞射儀、高解析掃描式電子顯微鏡、熱重分析儀、霍爾量測系統、席貝克係數量測系統、四點探針電阻量測系統等儀器與分析方法，研究鉍銅硒氧在共摻雜前後的結構、熱穩定性與熱電性質差異。 於750°C下合成的Bi1-x5SrxCuSe0 9S0 1O 樣品，經XRD分析得知在低摻雜量時能維持其純相，但到了硫摻雜量10%、鍶摻雜量5%時，二次相如Bi與Bi4Se3大量析出，鍶摻雜量10%之後的二次相繞射峰值更是逼近鉍銅硒氧主相的繞射峰強度。熱穩定性的量測，在N2環境下的TGA分析得知摻雜鍶與硫樣品的熱穩定性比未摻雜樣品還好，但在大氣下的分析結果則是相反，大氣下共摻雜樣品的熱重損失率是在N2環境下的10倍，由於硫是易揮發的元素，大氣下升溫更不穩定容易脫離其主相結構，SEM分析中亦能觀察到室溫中共摻雜樣品的鉍銅硒氧層狀結構相對未摻雜樣品有些微孔洞，推測即是硫的揮發所導致。 電性分析部分，席貝克分析主要受到摻雜量的影響，隨著鍶的摻雜量增加，載子濃度增加促使席貝克係數降低，而電導率除了受到摻雜量的影響，鍶摻雜量10%以上時出現的電導率突升，更可以歸因於析出的雜相Bi與Bi4Se3在鉍銅硒氧中串連形成通路。而最終的量測結果，可以得知鉍銅硒氧在硫摻雜量10%、鍶摻雜量15%時具有最大的?率因子，在量測溫度360°C能獲得其值為0 91μV/cmK^2，比未摻雜的鉍銅硒氧還高了6倍之多。

Date of Award	2018 Aug 28
Original language	Chinese
Supervisor	Xiao-Ding Qi (Supervisor)