碲化鉍基熱電材料的制備和性能的研究.pdf

1、熱電材料，也稱為溫差電材料，是一種通過固體中載流子的輸運將熱能和電能直接相互轉換的功能材料，被認為是非常有競爭力的能源材料。用熱電材料制作的器件具有體積小、無噪音、無污染、無運動部件、高可靠性等突出優(yōu)點，在溫差電致冷和溫差發(fā)電方面具有重要的應用前景。熱電材料的性能用無量綱的品質因子（ZT)衡量，品質因子的大小決定于材料的電導率、賽貝克系數和熱導率。具有高ZT值的材料需要同時具有高的電導率，高的賽貝克系數和低的熱導率。近年來，采用摻雜和納

2、米化的方法提高熱電材料的熱電性能成為研究熱點。水熱合成法是制備納米粉體的有效途徑之一，它不僅簡便、低價且便于大規(guī)模生產。
　　 本文利用水熱法采用不同的表面活性劑、反應源、反應溫度和反應時間等條件制備了不同形貌的Bi2Te3納米粉體，探討了其生長機理;然后，通過真空熱壓法將其熱壓成致密塊體，研究了不同形貌和稀土摻雜對Bi2Te3塊體材料熱電性能的影響。另外一直以來，由于n型Bi2Se0.3Te2.7材料的熱電性能鮮有突破，嘗試了

3、利用稀土元素(Ce，Y和Sm)摻雜來提高其熱電性能。
　　 通過水熱法制備不同形貌的Bi2Te3納米粉體發(fā)現，Bi2Te3晶體生長是一個非常復雜的過程。它受到表面活性劑、Te源，Bi源以及合成方法和過程的影響。一般情況下，EDTA活性劑可以加速Bi2Te3基軸的生長速度，而SDBS活性劑可以限制Bi2Te3基軸的生長速度，而PVP活性劑的作用介于兩者之間。對于Te源，Na2TeO3在溶液中的溶解速度大于Te粉，這有助于大量的小B

4、i2Te3納米晶粒的形成。為了控制Bi2Te3納米粉體的形貌和尺寸，需要選擇合適的表面活性劑、反應源和反應方法及過程。
　　 在不同反應溫度和反應時間下制備了Bi2Te3納米線。SDBS有助于形成納米線，且溫度和時間對形貌有很大的影響。最佳的反應溫度和時間為150℃和24h。在這個條件下，可制備出純相的Bi2Te3納米線，且直徑在30nm左右。EDTA的用量對粉體的形貌也有很大的影響，當用量低時，生成的Bi2Te3粉體為納米顆粒

5、;當用量逐漸增加時，粉體的形貌逐步形成花狀的納米片。研究發(fā)現了有助于形成純相Bi2Te3花狀納米片的EDTA最佳用量。
　　 不同形貌的納米粉體熱壓成塊體后，其性能也有較大的差別。研究表明;一個具有合適微結構的塊體應能有效散射聲子但對載流子散射較少。用水熱法以EDTA為表面活性劑，Te粉為Te源制備而得的花狀納米片粉體滿足此要求。由花狀納米片制備的塊體的微結構是大晶粒中存在一些小的晶粒。這種微結構可以有效地散射聲子從而具有低的熱

6、導率，但同時具有較高的電導率和較大的賽貝克系數，從而具有較高的ZT值。而相對而言，用納米顆粒和納米線熱壓制備的塊體，ZT值較低，其主要原因是塊體內存在過多的晶界從而使電導率下降。
　　 為了進一步提高熱電性能，試圖制備稀土摻雜花狀納米片的粉體。研究表明:Ce，Y和Sm摻雜對合成粉體的形貌有顯著的影響，不利于花狀納米片的形成。可能的原因是稀土元素替代Bi原子后改變了鍵能從而影響了Bi2Te3在a，b，c軸的生長速度。Ce，Y和Sm

7、摻雜對Bi2Te3電導率和賽貝克系數的影響較小，但有助于降低熱導率。在這三種元素中，Ce摻雜可以最有效地降低熱導率。盡管沒有形成花狀納米片，熱壓后的Ce0.2Bi1.8Te3塊體的ZT值在398K仍可達1.29，高于商用區(qū)域熔煉塊體的值，顯示了元素摻雜與納米技術結合的優(yōu)越性。
　　 相對于p型Bi0.5Sb1.5Te3材料，n型Bi2Se0.3Te2.7材料的ZT值一直未有顯著提高，在前面實驗研究的基礎上，嘗試利用稀土(Ce，Y

8、和Sm)摻雜提高n型Bi2Se0.3Te2.7材料的熱電性能。采用水熱法制備了CexBi2-xSe0.3Te2.7(x=0～0.3）納米粉體。Ce、Y和Sm摻雜不會引起雜相的出現，但是隨著摻雜量的增加粉體的形貌會發(fā)生顯著地改變。研究發(fā)現最優(yōu)稀土摻雜量為x=0.2。特別是Y的摻雜不僅有助于降低熱導率也有助于提高電導率，其主要原因是Y摻雜在提高載流子濃度的同時可使塊體有優(yōu)化的微結構，可有效散射聲子但較少地散射載流子。Y0.2Bi1.8Se0