强磁场对层状钴基氧化物生长及物性的调控机理研究

强磁场下的材料制备是强磁场应用的一个重要领域。三角格子层状钴基氧化物材料由于其优越的高温热电性能在能源和环境领域有巨大的应用潜力，且这些材料大多具有很强的磁各向异性。本项目主要以Ca3Co4O9和Bi2Sr2Co2Oy体系材料为研究对象，在强磁场中进行多晶和单晶材料的制备和生长，以实现利用强磁场对其结构和形貌进行调制，并深入研究强磁场诱导的结构变化与材料热电性能、电输运性能和自旋特性之间的关系，建立强磁场下材料制备工艺－微结构－生长机制－材料性能之间的关联，探索其中的新现象和新规律，并结合其它研究手段如元素掺杂，寻找提高此类材料热电性能的有效途径，同时为加深理解三角格子层状钴基氧化物材料中多种相互作用的机制提供相关实验依据。

三角格子层状钴基氧化物在室温附近具有较大的热电势和金属性导电行为，是一种具有潜在应用价值的热电材料。该体系材料中Co离子多种价态、多种自旋态共存，不同自旋态离子间能量较为接近，施加适当的外界刺激可驱使Co离子在不同自旋态间发生转变，实现对材料性能进行调控的目的。. 在本项目中，我们选择Ca3Co4O9和Bi2Sr2Co2Oy两种材料体系作为研究对象，系统研究了强磁场诱导生长和元素掺杂对材料性能的影响，重点是对材料热电性能的调控研究。研究结果表明，强磁场诱导生长一方面可有效提高材料的织构度和致密度，减小晶界对载流子的散射，提高材料的导电能力，另一方面，材料生长过程中施加的强磁场还可以诱导部分Co离子发生由低自旋态向高自旋态的转变，增加自旋熵，提高材料的热电势，改善材料的热电性能，在8T磁场中生长的Ca3Co4O9样品热电优值约是零场样品的3.6倍。在元素掺杂研究方面，我们首先研究了不同价态的元素Co位掺杂对材料物性的影响，结果发现和Co离子价态较为接近的离子掺杂可有效改善材料的热电性能，如x=0.4的Rh3+离子掺杂可使材料的热电优值增大到原来的2.4倍。另外，我们还提出了错位替代调控材料热电性能的新方法，可使材料的热电性能获得进一步的提升。上述研究方法和取得的结果会给今后类似材料的研究提供一些借鉴，也为层状Co基氧化物材料的可能应用奠定一定的实验基础。