強磁場對層狀鈷基氧化物生長及物性的調控機理研究

《強磁場對層狀鈷基氧化物生長及物性的調控機理研究》是依託中國科學院合肥物質科學研究院，由趙邦傳擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：強磁場對層狀鈷基氧化物生長及物性的調控機理研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：趙邦傳
• 依託單位：中國科學院合肥物質科學研究院

項目摘要

強磁場下的材料製備是強磁場套用的一個重要領域。三角格子層狀鈷基氧化物材料由於其優越的高溫熱電性能在能源和環境領域有巨大的套用潛力，且這些材料大多具有很強的磁各向異性。本項目主要以Ca3Co4O9和Bi2Sr2Co2Oy體系材料為研究對象，在強磁場中進行多晶和單晶材料的製備和生長，以實現利用強磁場對其結構和形貌進行調製，並深入研究強磁場誘導的結構變化與材料熱電性能、電輸運性能和自旋特性之間的關係，建立強磁場下材料製備工藝－微結構－生長機制－材料性能之間的關聯，探索其中的新現象和新規律，並結合其它研究手段如元素摻雜，尋找提高此類材料熱電性能的有效途徑，同時為加深理解三角格子層狀鈷基氧化物材料中多種相互作用的機制提供相關實驗依據。

結題摘要

三角格子層狀鈷基氧化物在室溫附近具有較大的熱電勢和金屬性導電行為，是一種具有潛在套用價值的熱電材料。該體系材料中Co離子多種價態、多種自旋態共存，不同自旋態離子間能量較為接近，施加適當的外界刺激可驅使Co離子在不同自旋態間發生轉變，實現對材料性能進行調控的目的。在本項目中，我們選擇Ca3Co4O9和Bi2Sr2Co2Oy兩種材料體系作為研究對象，系統研究了強磁場誘導生長和元素摻雜對材料性能的影響，重點是對材料熱電性能的調控研究。研究結果表明，強磁場誘導生長一方面可有效提高材料的織構度和緻密度，減小晶界對載流子的散射，提高材料的導電能力，另一方面，材料生長過程中施加的強磁場還可以誘導部分Co離子發生由低自旋態向高自旋態的轉變，增加自旋熵，提高材料的熱電勢，改善材料的熱電性能，在8T磁場中生長的Ca3Co4O9樣品熱電優值約是零場樣品的3.6倍。在元素摻雜研究方面，我們首先研究了不同價態的元素Co位摻雜對材料物性的影響，結果發現和Co離子價態較為接近的離子摻雜可有效改善材料的熱電性能，如x=0.4的Rh3+離子摻雜可使材料的熱電優值增大到原來的2.4倍。另外，我們還提出了錯位替代調控材料熱電性能的新方法，可使材料的熱電性能獲得進一步的提升。上述研究方法和取得的結果會給今後類似材料的研究提供一些借鑑，也為層狀Co基氧化物材料的可能套用奠定一定的實驗基礎。