Termisk ledningsevne og nanostruktur i La0,7Sr0,3CoO(3-delta) (0 < delta < 0,15)

Abstract

Termoelektriske moduler har et potensial som en ren og miljøvennlig strømkilde som genererer strøm av spillvarme som ellers går tapt til omgivelsene. Det er derfor stor interesse for å finne effektive termoelektriske materialer som er billige i produksjon og består av miljøvennlige grunnstoffer. La1−xSrxCoO3−delta er studert som et termoelektrisk materiale og for å kunne øke materialets termoelektriske effekt kreves ytterligere forståelse av materialet. I denne oppgaven er struktur og termisk ledningsevne i La0,7Sr0,3CoO3− delta (LSCO) undersøkt ved 0< delta <0,15. Dette er gjort for å undersøke sammenhengen mellom struktur og oksygeninnhold, og hvordan strukturendringer påvirker den termiske ledningsevnen.

Oksygeninnholdet i LSCO er målt ved termogravimetri og materialets struktur er undersøkt ved røntgendiffraksjon og transmisjonselektronmikroskopi for delta = 0 og 0,15. Termisk ledningsevne er målt ved ”laserflash” termisk diffusivitetsmetoden og elektrisk ledningsevne er målt ved et van der Pauw oppsett.

Fra termogravimetri ble materialets oksygeninnhold funnet å være konstant med hensyn på temperatur og atmosfære (fra O2 til inert gass) for temperaturer lavere enn 400 C . Derfor ble termisk og elektrisk ledningsevne målt for 50 C < T <400 C ved forskjellige oksygenkonsentrasjoner satt ved høyere temperaturer. Den elektriske ledningsevnen er målt for å skille ut ladningsbærernes varmetransport, slik at det strukturelle bidraget til den termiske ledningsevnen kunne bestemmes.

Røntgendiffraksjon av LSCO med delta = 0 og delta =0,15 viser at strukturen er henholdsvis trigonal med romgruppe R3 og kubisk med romgruppe Pm-3m. Transmisjonselekronmikroskopi av prøver med høy oksygenvakanskonsentrasjon viser en overstruktur som ikke er tilstede i prøver med delte 0. Overstrukturen er i overensstemmelse med romgruppe P4/mmm hvor oksygenvakansene er lokalisert i (0,5 0,5 0,5)-planet til enhetscellen. Okygenvakansordningen danner domener på størrelser ned til 5 nm. In-situ oppvarming av prøver med oksygenvakansordning fra romtemperatur til 400 C viser at ordningen reduseres ved økende temperatur.

Den termiske ledningsevnen avtar med økende oksygenvakanskonsentrasjon, for eksempel er tot ved 50 C 2,28 W/mK og 1,25 W/mK for henholdsvis delta = 0 og delta = 0,15. Denne reduksjonen skyldes både redusert elektrisk ledningsevne som reduserer det elektriske bidraget til tot, men også på grunn av økt fononspredning forårsaket av oksygenvakanser. Resultater i denne oppgaven indikerer også at nanostruktur som følge av oksygenvakansordning gir lavere termisk ledningsevne i La0,7Sr0,3CoO2,85. En dobling av enhetscellevolumet i de tetragonale domenene gir økt Umklappspredning, og dette kan forklare den økte fononspredningen.