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氧化锌(ZnO)是一种多用途的半导体材料,首先,其对紫外线具有较强的吸收屏蔽作用,同时具有无毒、无味、对皮肤无刺激性、不分解、不变质、热稳定性好等优点。因此通过掺杂制备出具有多色ZnO防晒护肤材料具有巨大的潜在应用价值。其次,ZnO作为一种廉价、环保、耐高温的宽禁带金属氧化物热电材料逐渐引起人们的兴趣。但是其热电性能还远未达到利用值。因此,本工作着力于通过掺杂改善氧化锌的热电性能,研究掺杂对电阻率、电导率和seebeck系数的影响。本文主要从以下两个内容进行研究:
(1)通过掺杂氮(N)元素试图多颜色调节氧化锌防晒粉:采用沉淀法和固相法对不同N掺杂比例、烧结温度和保温时间对ZnO粉体进行制备。利用X射线衍射和紫外分光光度计对其相结构和紫外吸收性能进行了测试,结果表明:N掺杂对ZnO颜色的调节和紫外吸收性能的改善有明显效果,得到了多色和紫外吸收性能最佳的掺杂比例、烧结温度和保温时间。
(2)掺N、In对ZnO热电性能的影响:以尿素为N源,In2O3为In源对ZnO分别进行N掺杂和N-In共掺杂,利用热压烧结法分别制备了不同N掺杂比例(Zn(OH)2:尿素=3:1,3:1.5,3:2,3:2.5,3:3(质量比))的ZnO和相同N掺杂比例,不同In掺杂比例(ZnO:In2O3=m,m=5,6,7,8,9)的样品,并对所得样品进行热电性能研究。经对掺杂样品进行相结构、晶格振动、热导率、电导率和seebeck系数测试,结果表明:N掺杂后改善了ZnO的晶格缺陷,完善了晶格结构,热导率和电阻率明显提高,因此不适合做热电材料。根据文献,由于N-In共掺杂样品中掺杂比例为(ZnO)5In2O3和(ZnO)8In2O3的样品形成了层状化合物结构,热导率得到了降低,并且在整个测试温度区间,波动很小,具有很高的温度稳定性。电导率与seebeck系数较纯ZnO都有一定的增大,且随着m值的增大,值越小,这使得最终的热电性能(ZT值在600℃时接近0.1)较纯ZnO(ZT值在600℃时为0.03左右)得到了提高。另外,所有掺杂比例样品的电导率和seebeck系数都得到了大幅度提高,并且随着温度的升高均有减小的趋势。而热导率在低温时较纯ZnO有所降低,但是在高温时较纯ZnO并没有明显变化。这导致它们热电性能虽有增加,但效果不太明显。
总之,N掺杂ZnO的强紫外吸收性能和颜色的调节为制备肤色氧化锌提供了有利条件,但掺N后ZnO的热电性能明显降低,因此掺N的ZnO不适合做热电材料。而N-In共掺杂后的样品,热导率降低且随温度具有稳定性,电导率明显提高,热电性能得到了提高。