纳米域结构的多晶和单晶Nd2/3-xLi3xTiO3薄膜的热电性能及机理

For the first time, this project plans to carry out the research on the preparation and thermoelectric properties of polycrystalline and monocrystalline Nd2/3-xLi3xTiO3 thin films composed of nano-domains. Specifically, polycrystalline Nd2/3-xLi3xTiO3 thin films will be prepared by magnetron sputtering method or other physical vapour deposition methods. Monocrystalline Nd2/3-xLi3xTiO3 thin films will be prepared by pulse laser depostion. In combination with Ti-site-Nb-doping, the effect of nano-domains on the thermoelectric properties of Nd2/3-xLi3xTiO3 will be studied. This project will not only further clarify the potential of Nd2/3-xLi3xTiO3 as thermoelectric material, but also give an insight into the nanostructure design for the development of oxide thermoelectric materials.

本课题首次提出了对具有纳米域结构的多晶和单晶Nd2/3-xLi3xTiO3薄膜的制备及其热电性能的研究。具体来说，计划用磁控溅射等物理气相沉积方法制备具有纳米域结构的多晶Nd2/3-xLi3xTiO3薄膜，用脉冲激光沉积方法生长具有纳米域结构的单晶Nd2/3-xLi3xTiO3薄膜。结合Ti位Nb的掺杂，调节材料的电学性能，考察纳米域结构对材料热电性能的影响及作用机理。该课题不仅会进一步证实Nd2/3-xLi3xTiO3作为热电材料的潜力，也将有助于拓展氧化物热电材料的在纳米结构设计上的研究思路。

在当前能源危机和温室效应背景下，探索寻找新的环保并可大规模应用的热电材料非常重要。本项目针对具有纳米域结构的Nd2/3-xLi3xTiO3材料进行研究，确定了制备Nb掺杂以及空位补偿的具有纳米域结构的Nd2/3-xLi3xTiO3热电材料的制备工艺，表征了其热电性能，分析了纳米域、晶体结构对材料热电性能的影响机理。在此基础上，对材料在不同工艺条件下的微纳结构的变化进行了初步的总结。研究发现，Nb掺杂和空位补偿可以显著改善材料的电导率，同时在材料中保持纳米域结构。由于纳米域结构的存在，使得材料呈现出不依赖于温度的低热导率（2 W⁄((m⋅K) )）。材料中最终获取了0.05的热电优值。Nb的低固溶度导致了材料的电导率进一步提高受限，而晶体结构中TiO6八面体的扭曲限制了材料的塞贝克系数。材料制备时的温度条件对材料微纳形貌影响很大。本项目的研究结果一方面肯定了Nd2/3-xLi3xTiO3材料作为N型氧化物热电材料的潜力，另外也为寻找新型热电材料提供了思路。