具有c轴择优的CuCr1-xMgxO2多晶的热电输运性质及Mg掺杂效应

采用固相反应法制备了c轴择优的CuCr1-xMgxO2(0≤x≤0.08)系列多晶,通过X射线衍射、扫描电镜和电阻率-温度曲线、Seebeck系数-温度曲线对样品的结构、热电输运和固溶度进行表征研究。随Mg掺杂量在x=0~0.03范围内增加,多晶为铜铁矿单相结构,层状晶粒在ab面显著长大,(00l)取向因子最大达0.53,晶界和孔隙显著减少,致密度依次提高;多晶呈热激活机制的半导体电输运行为,热激活能从0.273eV下降到0.031eV,室温电导率相应提高了3~4个数量级,高温下Seebeck系数从481.2μV·K^-1减小到334.7μV·K^-1。由于声子曳引的贡献,随温度升高,掺Mg样品的Seebeck系数增大。x>0.03后,样品的热电输运性质基本保持不变,微观结构变化不大,在晶界处观察到MgCr2O4八面体尖晶石第二相,分析认为Mg掺杂的最大固溶度约为0.03。随Mg^2+替代Cr^3+的增加,在靠近价带顶的上方引入受主能级并展宽,使电输运的热激活能显著下降,空穴载流子浓度增大;同时c轴择优取向使面内的输运分量增加,这都是电导率提高的主要原因,而载流子迁移率浮动是电导率提高的次要原因。

CuCr_(1-x)Mg_xO_2(0≤x≤0.09)薄膜的光电性能

采用射频磁控溅射方法,在石英衬底上制备Mg掺杂的CuCrO2薄膜。通过XRD、紫外吸收光谱及电学性能的测量表征该系列薄膜样品的结构与光电性能。结果表明:退火处理后所有薄膜样品的结晶性良好,均为3R型铜铁矿结构;薄膜的电导率随掺杂量的增加而增大。当x=0.09时,样品的室温电导率可达6.16×10-2S/cm,比未掺杂的CuCrO2提高近400倍,且霍耳测试表明所制备的薄膜为p型导电体。电导率随温度变化关系表明:薄膜样品在200～300K的温度范围内均很好地符合Arrhenius热激活规律;当x=0.09时,最低激活能仅为0.034eV。薄膜的可见光透过率与光学带隙宽度均随掺杂量的增加而减小。

c轴倾斜CuCr_(1-x)Mg_xO_2(x=0,0.02)薄膜的外延生长

采用脉冲激光沉积技术在0°,5°,10°c轴倾斜ɑ-Al_2O_3(0001)衬底上制备出c轴生长CuCr_(1-x)Mg_xO_2(x=0,0.02)薄膜。用X射线衍射Φ扫描分析薄膜与衬底(0001)晶面的结晶取向关系为<1100>CuCrO_2∥<1120>ɑ-Al_2O_3,并进一步通过θ扫描、2θ扫描表征5°和10°c轴倾斜衬底上CuCrO_2薄膜与衬底(0006)晶面之间的倾斜角度差值由0.43°增加到1.76°,得到薄膜c轴外延性随衬底倾斜角变大而变差。AFM观察生长在ɑ-Al_2O_3(0001)衬底上的CuCr_(1-x)Mg_xO_2薄膜为层状形貌,且倾斜衬底上薄膜晶粒尺寸减小,晶界增加。ρ-T测量曲线表明:相比平直衬底,10°倾斜衬底上CuCrO_2薄膜的电阻率略有升高,这是由于倾斜衬底上薄膜结晶质量较差及晶界对载流子散射增强所致,与XRD和AFM结果相一致。

p型透明导电氧化物CuCr_(1–x)Mg_xO_2的制备及光电性能研究

采用溶胶–凝胶法制备了CuCr1–xMgxO2粉末,压制烧结形成了CuCr1–xMgxO2陶瓷样品,研究了Mg2+掺杂量和压制压强对CuCrO2粉末和陶瓷的相组成、显微结构及光电性能的影响。结果表明:随着Mg2+掺杂量从0.01增加到0.07,所制CuCr1–xMgxO2粉末对紫外–可见光的吸收度增加,光学带隙宽度由3.25 eV逐渐减小到2.86 eV。随着Mg2+掺杂量或压制压强的增加,其相应陶瓷样品的电导率均先增大后减小。当Mg掺杂量x为0.03,压制压强为550 MPa时,制备的CuCr0.97Mg0.03O2陶瓷样品的电导率达到最大值,为19.8 S/cm。