基于纳米材料的热电材料性能研究

东南大学

硕士学位论文

CuO/ZnO纳米材料的制备及性能研究

姓名：崔小斌

申请学位级别：硕士

专业：光学工程

指导教师：崔一平

20080515摘要

摘要

随着纳米材料技术的发展，各种各样的纳米结构材料被制备出来。目前，研究的热点已经转向人

工组装纳米材料及设计相关的纳米器件。而一维纳米材料冈为其独特的物理化学性质，成为其中研究的热点。

１．用热蒸发的方法在３００＂Ｃ、４００＂Ｃ、５００。Ｃ、６００＂Ｃ、７００。Ｃ、８００＂Ｃ卜．直接住铜片表面生长氧化铜

纳米线，然后使用ＸＲＤ、ＳＥＭ、ＴＥＭ、ＨＲＴＥＭ对氧化铜纳米线进行结构和形貌分析。结果表明，反应温度

在５００℃＂＂６００℃间的氧化铜纳米线形貌较好。然后测试４５０℃‘卜．不同生长时间的氧化铜纳米线的场致

电子发射性能。结果与理想的场发射情况不同，本文认为是冈为在氧化铜纳米线和导电衬底间存在氧化亚铜薄膜引起的。

２．利用气相沉积法，使锌在低氧气氛下生Ｋ山一种高缺陷的氧化锌品体，通过ＸＲＤ，ＴＥＭ对产

物进行表征。随后将氧化锌晶体在氧气中，分别在８００＂Ｃ、９００。Ｃ、１０００＊Ｃ卜退火ｌ小时，对氧化锌品

体做表面修饰。ＰＬ光谱实验和光催化降解实验表明氧化锌晶体的氧空位、表面态和光催化活性间存在一定联系。结果显示，１０００＂Ｃ卜．退火的样品表面缺陷程度强Ｔ８００。ｃ和９００＂Ｃ。卜．退火样品，光催化活性也优于后两者。

关键字：氧化铜；场发射；氧化锌：光催化Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ｗｉｔｈｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｎａｎｏ—ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．ｖａｒｉｏｕｓｎａｎｏ—ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｍａｔｅｒｉａｌｓｈａｖｅｂｅｅｎｍａｄｅ．

Ｎｏｗｄａｙｓ，ｍｏｒｅａｔｔｅｎｔｉｏｎｈａｓｂｅｅｎｐａｉｄｔｏａｒｔｉｆｉｃｉａｌａｓｓｅｍｂｌＹｏｆｎａｎｏ—ｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｄｅｓｉｇｎｏｆｃｏｒｒｅｌａｔｅｄｎａｎｏ－ｄｅｖｉｃｅｓ．Ｏｎｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｎａｎｏ－ｍａｔｅｒｉａｌＳｂｅｃｏｍｅｔｈｅｈｏｔｓｐｏｔｏｆｒｅｓｅａｒｃｈ

碳纳米管 热导

碳纳米管是一种具有优异热导性能的材料，其热导率可达到3000W/mK，是铜的10倍以上。这种材料的热导性能主要源于其特殊的结构和化学成分。

碳纳米管是由碳原子构成的管状结构，其直径只有纳米级别，长度可以达到数微米。这种结构使得碳纳米管具有很高的比表面积，从而增加了热传导的可能性。此外，碳纳米管的化学成分也是其热导性能的关键因素。碳纳米管的碳原子之间存在着很强的共价键，这种键的存在使得碳纳米管具有很高的热传导性能。

碳纳米管的热导性能使得其在热管理领域具有广泛的应用前景。例如，在电子器件中，碳纳米管可以用作热界面材料，将热量从芯片传递到散热器，从而提高芯片的散热效率。此外，碳纳米管还可以用于制备高效的热导材料，例如热导膏、热导胶等。这些材料可以广泛应用于电子器件、汽车、航空航天等领域，提高设备的散热效率，从而提高设备的性能和寿命。

除了在热管理领域，碳纳米管的热导性能还可以应用于制备高效的热电材料。热电材料是一种可以将热能转化为电能的材料，其应用领域包括太阳能、汽车、航空航天等领域。碳纳米管的高热导性能可以提高热电材料的效率，从而提高其应用前景。

总之，碳纳米管是一种具有优异热导性能的材料，其应用前景广阔。在未来的研究中，我们可以进一步探索碳纳米管的热导性能，开发出更加高效的热管理和热电材料，为人类的生活和工作带来更多的便利和效益。

暑

假

实

习

论

文

题 目: 纳米材料及其应用

学 院 软件与通信工程学院

学生姓名 XXX 学 号 XXXX

专 业 电子科学与技术 届 别 2011届

指导教师 白耀辉博士 李刚博士 尧文元博士

二O一一 年 七 月

纳米材料及其应用

内容摘要

1.纳米材料定义

2.国内外研究进展

3.应用领域及原理

应用领域

◇纳米技术在陶瓷领域方面的应用

◇纳米技术在微电子学上的应用

◇纳米技术在生物工程上的应用

应用原理

◇量子尺寸效应

◇小尺寸效应

◇纳米材料的热学特性

◇纳米材料的磁学特性

◇纳米材料的光学特性

4.制备方法

◇激光诱导化学气相沉积法

◇低温等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）

◇液相法制备纳米材料

一． 纳米材料定义

纳米材料是指晶粒尺寸为纳米级(10-9米)的超细材料。它的微粒尺寸大于原子簇，小于通常的微粒，一般为100~102nm。它包括体积分数近似相等的两个部分：一是直径为几个或几十个纳米的粒子二是粒子间的界面。前者具有长程序的晶状结构，后者是既没有长程序也没有短程序的无序结构。

从材料的结构单元层次来说，它介于宏观物质和微观原子、分子的中间领域。在纳米材料中，界面原子占极大比例，而且原子排列互不相同，界面周围的晶格结构互不相关，从而构成与晶态、非晶态均不同的一种新的结构状态。

在纳米材料中，纳米晶粒和由此而产生的高浓度晶界是它的两个重要特征。纳米晶粒中的原子排列已不能处理成无限长程有序，通常大晶体的连续能带分裂成接近分子轨道的能级，高浓度晶界及晶界原子的特殊结构导致材料的力学性能、磁性、介电性、超导性、光学乃至热力学性能的改变。纳米相材料跟普通的金属、陶瓷，和其他固体材料都是由同样的原子组成，只不过这些原子排列成了纳米级的原子团，成为组成这些新材料的结构粒子或结构单元。其常规纳米材料中的基本颗粒直径不到100 nm，包含的原子不到几万个。一个直径为3 nm的原子团包含大约900个原子，几乎是英文里一个句点的百万分之一，这个比例相当于一条300多米长的帆船跟整个地球的比例。

纳米复合热电材料的研究现状／郭　捷等　・　１６５　・　纳米复合热电材料的研究现状　郭捷，李智东，陈平宇，赵昆渝　（昆明理工大学材料科学与工程学院，昆明６５００９３）　摘要　热电材料纳米复合化是研究高ＺＴ值热电材料的一个重要方向。介绍了纳米复合热电材料的非原位　和原位复合方式，分析了纳米复合化提高材料热电性能的原因，提出了纳米复合热电材料具有广阔应用前景的观点。　关键词　热电材料块体纳米复合声子散射　中图分类号：ＴＢ３４　文献标识码：Ａ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｓｉｔｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｎａｎｏｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ　Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ＧＵＯ　Ｊｉｅ，ＬＩ　Ｚｈｉｄｏｎｇ，ＣＨＥＮ　Ｐｉｎｇｙｕ，ＺＨＡＯ　Ｋｕｎｙｕ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｋｕｎｍｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｋｕｎｍｉｎｇ　６５００９３）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｎａｎｏ　ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｏｎｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｓｔ　ｅｓｓｅｎｔｉａｌ　ｗａｙｓ　ｔｏ　ｐｒｏｄｕｃｔ　ｈｉｇｈ　ｆｉｇｕｒｅ－ｏｆ－ｍｅｒｉｔ　ＺＴ　ｏｆ　ｔｈｅｒｍｏｅ—　ｌｅｅｔｒｉｅ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｔｈｅ　ｅｘ　ｓｉｔｕ　ａｎｄ　ｉｎ　ｓｉｔｕ　ｎａｎｏｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ　ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ａｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｈｏｗ　ｔｈｅ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ　ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｆｉｇｕｒｅ－ｏｆ－ｍｅｒｉｔ　ＺＴ　ｏｆ　ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ａｃｈｉｅｖｅｄ　ｆｒｏｍ　ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｖｉｅｗ　ｔｈａｔ　ｎａｎｏｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ　ｈａｖｅ　ａ　ｇｒｅａｔ　ｐｒｏｓｐｅｃｔ　ｏｆ　ｗｉｄｅｌｙ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｏｕｔｌｉｎｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｂｕｌｋ，ｎａｎｏ　ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ，ｐｈｏｎｏｎ　ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ　０引言　随着全球工业化进程的不断加速发展，能源危机及环境　污染问题也日趋显著，能源短缺和环境污染问题是目前人类　所面临的最严峻的挑战，研发符合绿色环保主题的新型能源　材料已受到世界各国的广泛重视。热电材料是一种能将热　能和电能进行相互转换的功能材料，具有结构简单、体积小、　质量轻、无运动部件、无噪声、零排放、可靠性高、使用寿命长　等优点，具有广阔的应用前景。　热电材料的性能一般用无量纲的热电优值ＺＴｔ　。］来描　述，ＺＴ＝Ｓ。，，Ｔ／ｋ，其中Ｓ为热电材料的Ｓｅｅｂｅｃｋ系数、　为电　导率、ｋ为热导率。当热电材料的ＺＴ值达到３时，热电制冷　元器件的制冷效率才能与传统的以氟利昂为制冷剂的制冷　压缩机相比拟。由热电优值的公式可看出，如果要求热电材　料具有高的Ｚ丁值，则要求具有高的Ｓｅｅｂｅｃｋ系数和电导率　以及低的热导率。但这在常规材料中是比较困难的，因为Ｓ、　ｏ．ｋ三者相互关联，都与材料的载流子浓度有关，材料的Ｓｅｅ—　ｂｅｃｋ系数的提高会导致载流子浓度的减小、电导率的降低，　而电导率的提高又常常会引起热导率的增加，因此，仅通过　改变材料的成分和结构很难获得具有高ＺＴ值的热电材料。　如何使Ｓ、　、ｋ这３个参数独立可调是提高热电材料性能的　主要研究方向。　自热电材料被发现以来，人们对提高热电材料的Ｚ丁值　进行了很多研究，但其ＺＴ值都小于１，因此热电材料的研究　工作进展非常缓慢，几乎停滞不前。直至２Ｏ世纪５Ｏ年代　Ｉｏｆｆｅ等［３］才提出了温差发电的相关理论，并提出了半导体材　料作为热电材料的可能性，发现了Ｂｉ　Ｔｅ　、ＰｂＴｅ、ＳｉＧｅ等热　电半导体合金，再次引起热电材料的研究热潮。９Ｏ年代中　期，Ｓｌａｃｋ等　提出了Ｐｈｏｎｏｎ　ｇｌａｓｓ　ａｎｄ　ｅｌｅｃｔｒｏｎ　ｃｒｙｓｔａｌ（声子　玻璃一电子晶体，ＰＧＥＣ）的概念，即热电材料同时具有玻璃的　低热导率和晶体的高电导率的特点，从而提高材料的热电性　能。９０年代末Ｈｉｃｋｓ等　］提出了材料的低维化与纳米复　合化能有效提高材料的热电性能，因此，近年来提高热电材　料性能的研究方向主要是新型化合物材料，如Ｓｋｕｔｔｅｒｕｄｉｔｅ　化合物、Ｃｌａｔｈｒａｔｅｓ笼型化合物及￣Ｚｒ４Ｓｂ。基化合物等；材料　的低维和纳米复合化，如超晶格薄膜、纳米晶、纳米线、纳米　复合材料等。　１　纳米复合热电材料　１９９３年Ｈｉｃｋｓ等［５　提出了材料的低维化以及超晶格量　子阱等特殊的结构能提高材料热电性能的预测及理论计算，　认为当材料从三维（３Ｄ）晶体过渡到低维材料时，量子阱　（２Ｄ）、量子线（１Ｄ）及量子点（０Ｄ）的热电性能远远超过块体　材料。低维化能加强对材料的Ｓｅｅｂｅｃｋ系数、电导率及热导　率的独立调控性，即通过操控低维材料的尺度，利用量子限　制效应来提高费米能级附近的电子态密度，从而在不降低电　导率的同时提高Ｓｅｅｂｅｃｋ系数；由于边界散射的影响，材料的　低维结构能在不增加电子散射的同时大幅增强对声子的散　射作用，降低晶格热导率；此外，还能利用调制掺杂效应对势　垒层进行掺杂，抑制对电子的散射作用，进一步提高材料的　郭捷：男，１９８６年生，硕士，主要研究方向为热电材料Ｅ－ｍａｉｌ：ｊｅｆｆｋｕｏ２０８＠ｈｏｔｍａｉｌ．ｃｏｍ赵昆渝：通讯作者，女，１９６０年生，博士，　．教授Ｅ－ｍａｉｌ：ｋｙｚ