超化学计量比氧化铀晶体的研究进展

徐家跃¹，李志超¹，潘芸芳¹，周鼎¹，温丰²，马文军²

1. 上海应用技术大学材料科学与工程学院晶体生长研究所2. 中核北方核燃料元件有限公司

摘 要：氧化铀不仅是重要的核材料,也是潜在的多功能材料。UO₂晶体具有优异的半导体性能和抗辐照能力,其禁带宽度（1.3 eV）与Si（1.1 eV）相近,塞贝克系数是常用热电材料BiTe的4倍,对太阳光的全吸收使其成为高效的太阳能电池材料,在半导体、太阳能和热电等领域具有巨大的应用潜力。但是UO₂随着环境变化会出现从缺氧到过氧的价态变化(UO_2±x,x=–0.5～1),即超化学计量比特性,给材料制备和性能控制等方面带来很多问题。本文从相图出发,总结了各种铀氧化物的结构及其稳定性,重点聚焦UO₂晶体的研究进展。理想化学计量比UO₂被认为是最好的Mott绝缘体,其电导率是相对稳定的;超化学计量比氧化铀则具有半导体特性,其电导率、热导率、扩散系数以及光学性能都与x密切相关。目前, UO₂晶体生长主要采用化学气相输运法（CVT）、冷坩埚法、水热法、升华法、助熔剂法等,晶体尺寸和质量还不理想,冷坩埚法和水热法被认为是最有潜力的生长技术。氧化铀单晶生长研究不仅有助于深入了解UO₂材料特性,也为其在太阳能电池、热电器件以及未来电子学领域的应用提供可能性。

关键词：氧化铀;超化学计量比;晶体生长;半导体;热电;