多尺度Bi2Te3系熱電材料的制備及性能優(yōu)化研究.pdf

1、作為室溫附近熱電性能最好的熱電材料之一，Bi2Te3系材料在國防、醫(yī)療、微電子、航空航天等諸多領域有廣泛應用前景。但傳統的Bi2Te3系塊體材料的熱電性能一直在一個比較低的水平徘徊。隨著納米技術的飛速發(fā)展，熱電材料正面臨新的發(fā)展機遇。研究表明，Bi2Te3系納米熱電材料，包括納米量子點、納米線、納米薄膜和塊體納米材料，熱電性能可望大幅度提高。在對Bi2Te3系熱電材料的國內外研究現狀、發(fā)展趨勢詳細調研的基礎上，提出了本文的研究目的、意義

2、及研究內容，擬從納米顆粒、納米薄膜以及塊體材料三個方面研究多尺度Bi2Te3系熱電材料的制備工藝及其熱電性能。
　　 采用電化學原子層外延（ECALE）、微波輔助濕化學方法（MAWCS）、機械合金化（MA）結合等離子活化燒結（PAS）和熱壓燒結（HP）方法分別了制備納米薄膜、納米顆粒和塊體Bi2Te3系熱電材料。通過X射線衍射分析（XRD）、場發(fā)射掃描電鏡（FE-SEM），能譜分析（EDS），高分辨透射電鏡（HRTEM）等多種分

3、析測試手段研究了材料的成分及組織結構；通過對帶隙、Seebeck系數、電阻率、載流子濃度、遷移率及熱導率等材料性能的測試考察了工藝條件對Bi2Te3系熱電材料性能的影響，在此基礎上優(yōu)化了其熱電性能。
　　 考察了Bi、Se在不同襯底及相互之上的欠電位沉積（UPD）特性，確定了Bi2Se3化合物在多晶Pt和單晶Au襯底上的ECALE沉積工藝，在上述襯底上成功沉積了Bi2Se3納米薄膜。組織結構分析表明：在多晶Pt襯底上經400個穩(wěn)

4、定ECALE循環(huán)獲得了平整的正交結構Bi2Se3薄膜；單晶Au襯底上200個循環(huán)獲得菱方Bi2Se3薄膜，薄膜由大量垂直襯底的納米片構成。二者的物相和形貌差異主要源于襯底表面狀態(tài)和單循環(huán)沉積量。紅外光譜分析發(fā)現Au襯底上沉積的Bi2Se3薄膜能隙發(fā)生藍移。
　　 利用微波輔助濕化學法成功合成了二元Sb2Te3納米片、Sb2Se3納米棒。探討了微波合成條件對產物組成的影響，分析了微波輔助合成中的反應機制及合成粉體微觀形貌的生長和調

5、控機制。Sb2Te3化合物為六角形納米片，TEM和SAED及HRTEM分析證實納米片為菱方結構，納米片沿垂直于z軸的六個邊向外擴張生長。Sb2Se3化合物呈納米棒狀，正交結構Sb2Se3晶體三個方向上的生長速率不一致，導致納米棒沿[001]方向進行一維生長。
　　 采用MAWCS方法首次合成了Bi0.4Sb1.6Te3和Bi2Te2.5Se0.5三元化合物固溶體納米粉體，探討了反應環(huán)境中堿性強度和還原劑對合成反應的影響，發(fā)現在一

6、定的KOH與KBH4配合量下可以得到目標三元化合物。利用表面活性劑可獲得Bi0.4Sb1.6Te3納米片，Bi2Te2.5Se0.5在無表面活性劑條件下也能獲得六角形納米片結構。
　　 將MAWCS合成的Bi0.4Sb1.6Te3納米片摻入MA合成的Bi0.4Sb1.6Te3粉體進行納米復合后熱壓成型，研究了不同納米片摻入比例對材料熱電性能的影響。納米片的加入能顯著降低聲子熱導率，加入7.5wt.％納米片后樣品熱導率比未復合樣品

7、下降7.2％，聲子熱導率下降9.8％，室溫下7.5wt.％摻入比例的樣品有最大ZT值（1.31）。
　　 采用MA-PAS制備了P型Bi0.4Sb1.6Te3塊體材料。探討了PAS工藝對材料性能的影響，發(fā)現平行壓力方向的熱電性能要優(yōu)于垂直壓力方向?？疾炝瞬煌瑹Y溫度對材料熱電性能的影響，653K燒結的樣品在323K下具有最大功率因子和Seebeck系數，分別為5.7×10-3W?m-1?K-2和244.8μV?K-1，653K燒