由于眾所周知的塞貝克效應(yīng)，熱電材料可以將溫差直接轉(zhuǎn)化為電能。這一重要特性已引起人們對這類材料的廣泛重視，以便將其應(yīng)用于余熱回收裝置或太陽能熱電發(fā)電機(jī)。此外，它們還可以用作加熱/制冷設(shè)備。高性能熱電材料應(yīng)具有較大的塞貝克系數(shù)和較低的電阻率和導(dǎo)熱系數(shù)。低電阻率是必要的，以盡量減少焦耳加熱，而低導(dǎo)熱率有助于在熱電裝置的冷熱側(cè)之間保持較大的溫度梯度。

【成果介紹】

J. C. Diez等人采用經(jīng)典的固態(tài)法合成了含少量鉻的Ca₃Co_4-xCr_xO₉多晶熱電陶瓷。微觀結(jié)構(gòu)表征表明，所有Cr均被納入Ca3Co4O9結(jié)構(gòu)中，Cr含量不大于0.05時未產(chǎn)生含Cr的二次相。表觀密度測量表明所有樣品都非常相似，密度約為理論密度的75%。在50 °C至800 °C的氦氣氛圍下，使用Linseis的塞貝克系數(shù)/電阻測量儀LSR-3測試了樣品的電阻率和塞貝克系數(shù)。當(dāng)鉻含量增加時電阻率降低，塞貝克系數(shù)略有提高，直至鉻加入量達(dá)到0.05為止。這兩種參數(shù)的改進(jìn)使得功率因數(shù)比傳統(tǒng)的固相法得到更高的值。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1 Ca₃Co_4-xCr_xO9樣品的粉末X射線衍射圖譜，X分別為（a）0.00、（b）0.01、（c）0.03、（d）0.05和（e）0.10；

圖2 掃描電鏡顯示0.05 Cr取代試樣斷口形貌為隨機(jī)取向的層狀晶粒。

圖3 0.03 Cr取代樣品拋光段的掃描電鏡分析。黑點(diǎn)表示塊狀物質(zhì)的孔隙度

圖4 用掃描電鏡對0.10 Cr取代試樣的拋光段進(jìn)行了近距離觀察?；疑珜?yīng)于Ca₃Co_4-xCr_xO₉和Ca₃Co₂O₆相（#1），而深灰色對應(yīng)于Ca_1-xCr_xO固溶體（#2）

圖5 不同Cr含量的Ca₃Co_4-xCr_xO₉試樣中電阻率隨溫度的變化，X分別為（●）0.00、（◆）0.01、（■）0.03、（▲）0.05和（▼）0.10

圖6 不同Cr含量的Ca₃Co_4-xCr_xO₉試樣中塞貝克系數(shù)隨溫度的變化，X分別為（●）0.00、（◆）0.01、（■）0.03、（▲）0.05和（▼）0.10

圖7 不同Cr含量的Ca₃Co_4-xCr_xO₉試樣中功率因數(shù)隨溫度的變化，X分別為（●）0.00、（◆）0.01、（■）0.03、（▲）0.05和（▼）0.10

【結(jié)論】

本文表明Cr可以在不改變晶體結(jié)構(gòu)和改善熱電性能的情況下，以較小的比例（x≤0.05）取代Ca₃Co_4-xCr_xO₉中的Co。由于Ca_1-yCr_yO非熱電二次相的形成，進(jìn)一步加入Cr會降低熱電性能。根據(jù)在50 °C和800 °C時的測定的功率因數(shù)的值，確定了Co取代Cr的最佳含量為摻有0.05 Cr的樣品，功率因數(shù)在50 °C和800 °C時的最大值分別為0.11 mW/K²和0.25 mW/K²，比未摻雜樣品高25%左右。