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(lǐng)域有廣泛應(yīng)用前景。但傳統(tǒng)的Bi2Te3系塊體材料的熱電性能一直在一個(gè)比較低的水平徘徊。隨著納米技術(shù)的飛速發(fā)展，熱電材料正面臨新的發(fā)展機(jī)遇。研究表明，Bi2Te3系納米熱電材料，包括納米量子點(diǎn)、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(duì)Bi2Te3系熱電材料的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)詳細(xì)調(diào)研的基礎(chǔ)上，提出了本文的研究目的、意義

2、及研究?jī)?nèi)容，擬從納米顆粒、納米薄膜以及塊體材料三個(gè)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(xué)原子層外延（ECALE）、微波輔助濕化學(xué)方法（MAWCS）、機(jī)械合金化（MA）結(jié)合等離子活化燒結(jié)（PAS）和熱壓燒結(jié)（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(chǎng)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(cè)試手段研究了材料的成分及組織結(jié)構(gòu)；通過對(duì)帶隙、Seebeck系數(shù)、電阻率、載流子濃度、遷移率及熱導(dǎo)率等材料性能的測(cè)試考察了工藝條件對(duì)Bi2Te3系熱電材料性能的影響，在此基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)分析表明：在多晶Pt襯底上經(jīng)400個(gè)穩(wěn)

4、定ECALE循環(huán)獲得了平整的正交結(jié)構(gòu)Bi2Se3薄膜；單晶Au襯底上200個(gè)循環(huán)獲得菱方Bi2Se3薄膜，薄膜由大量垂直襯底的納米片構(gòu)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(xiàn)Au襯底上沉積的Bi2Se3薄膜能隙發(fā)生藍(lán)移。
　　 利用微波輔助濕化學(xué)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(duì)產(chǎn)物組成的影響，分析了微波輔助合成中的反應(yīng)機(jī)制及合成粉體微觀形貌的生長(zhǎng)和調(diào)

5、控機(jī)制。Sb2Te3化合物為六角形納米片，TEM和SAED及HRTEM分析證實(shí)納米片為菱方結(jié)構(gòu)，納米片沿垂直于z軸的六個(gè)邊向外擴(kuò)張生長(zhǎng)。Sb2Se3化合物呈納米棒狀，正交結(jié)構(gòu)Sb2Se3晶體三個(gè)方向上的生長(zhǎng)速率不一致，導(dǎo)致納米棒沿[001]方向進(jìn)行一維生長(zhǎng)。
　　 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(yīng)環(huán)境中堿性強(qiáng)度和還原劑對(duì)合成反應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)在一

6、定的KOH與KBH4配合量下可以得到目標(biāo)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(jié)構(gòu)。
　　 將MAWCS合成的Bi0.4Sb1.6Te3納米片摻入MA合成的Bi0.4Sb1.6Te3粉體進(jìn)行納米復(fù)合后熱壓成型，研究了不同納米片摻入比例對(duì)材料熱電性能的影響。納米片的加入能顯著降低聲子熱導(dǎo)率，加入7.5wt.％納米片后樣品熱導(dǎo)率比未復(fù)合樣品

7、下降7.2％，聲子熱導(dǎo)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(duì)材料性能的影響，發(fā)現(xiàn)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(jié)溫度對(duì)材料熱電性能的影響，653K燒結(jié)的樣品在323K下具有最大功率因子和Seebeck系數(shù)，分別為5.7×10-3W?m-1?K-2和244.8μV?K-1，653K燒