摻雜和納米化對Bi2Se3熱電性能的影響.pdf

1、熱電材料可以不需要任何運動部件、工作介質，不排放任何有毒有害物質而直接地將熱能和電能相互轉換，由于這種材料的這一獨特的功能，使得它在如今社會全世界所面臨的環(huán)境污染和能源緊缺兩大挑戰(zhàn)的背景下顯得尤為重要，因此也吸引了廣大研究者們越來越多的興趣和關注。而在所有的熱電材料中，Bi2Se3和Bi2Te3等Ⅳ-Ⅵ族的化合物都具有基本相同的六方晶系的晶體結構，這些材料的二元合金可以以任意比例混合形成連續(xù)的固溶體合金，可以通過精細地調節(jié)其載流子濃度以

2、及減少品格熱導而實現(xiàn)增強的熱電性能，在室溫附近就能獲得較高的熱電轉換效率，因而，Bi2Se3是適合于工作在室溫附近的最有潛力的熱電材料之一。降低材料的熱導率或提高材料的Seebeck系數(shù)的方法來提高材料的熱電性能是一種有效的方法?？紤]到Bi2Se3具有斜方六面體的層狀結構，是一種由Se原子層和Bi原子層沿c軸堆疊而成的五層平板狀結構，相毗鄰的Se(2)-Se(2)原子層是由范德瓦爾斯鍵結合在一起的。這與TiS2層狀結構是相似的，TiS2

3、層與層之間的范德瓦爾斯間隙可以被很多有機或無機材料填充，使該材料的熱導率有明顯的降低，從而提升其熱電性能，Bi2Se3有望通過該方法提高熱電性能。
　　然而，在利用降低材料的熱導率的方法增強材料熱電性能的過程中，不管通過任何方法來增強聲子的散射，聲子的平均自由程都不可能小于原子間距。因此，通過降低晶格熱導率來增強材料的熱電性能是有限度的。另外，對于任何一種常規(guī)的半導體材料，無論合金化、元素摻雜還是納米復合等，都會破壞材料中的周期勢

4、場，同時引入散射中心或者散射界面，而導致遷移率降低。Bi2Se3除了具有范德瓦爾斯鍵連接的層狀結構以外，還有一個重要的性質，它是三維拓撲絕緣體，拓撲絕緣體這種物質具有新的量子態(tài)特征，具有有帶隙的絕緣體態(tài)和不受磁性雜質缺陷影響的無帶隙傳導表面態(tài)，并且該表面態(tài)受拓撲序保護、十分穩(wěn)定。而在幾種三維拓撲絕緣體中，Bi2Se3又具有諸多優(yōu)勢成為研究的熱點:首先，Bi2Se3拓撲絕緣體的化學計量比較為容易精確地控制，容易合成出較為純相的Bi2Se3

5、晶體;其次，Bi2Se3拓撲絕緣體具有與理想的拓撲絕緣體非常接近的能帶結構，在其表面布里淵區(qū)中心存在一個擁有著單一狄拉克點的狄拉克錐，這對其三維拓撲絕緣體性質的研究非常有利;最后，Bi2Se3材料具有0.3eV的能隙，相當于3600K，遠遠超過了室溫(0.026eV)的能量尺度，這意味著該材料有可能且更容易在室溫及以上溫度時，實現(xiàn)其拓撲表面態(tài)主導的輸運，這將具有非常重要的意義。我們通過減少塊體Bi2Se3材料的平均粒徑來增加其表面體積比

6、，試圖通過以下三個因素提高材料的熱電優(yōu)值:首先，通過增加的傳導表面的貢獻來增加電子遷移率，從而提高電導率;其次，通過大量的界面（或晶界）增強聲子散射，從而抑制品格熱導率;最后，通過載流子在界面勢處的散射產生的能量過濾效應，從而提高熱電動勢。
　　首先，本論文采用在Bi2Se3材料的范德瓦爾斯夾層中引入摻雜宿主原子來降低材料的晶格熱導率，從而實現(xiàn)其熱電性能的增強。通過真空熔煉法合成Bi2Se3鑄塊樣品，結合研磨和真空熱壓法制備了一系

7、列不同含量的Cu摻雜納米結構Bi2Se3樣品CuxBi2Se3（x=0、0.005、0.010、0.015和0.020），并分別研究了它們的熱電等輸運性質。研究結果表明，在微量Cu摻雜的情況下，由于增強的雜質散射，使得適度Cu摻雜的CuxBi2Se3（x=0.010和0.015）樣品在300 K時的熱導率比未摻雜的Bi2Se3樣品的熱導率減小了大約30-50％。由于摻雜導致的Seebeck的減小以及電阻率的減小樣品的功率因子保持在一個較

8、高的值。結果，微量摻雜的Cu0.01Bi2Se3樣品表現(xiàn)出在590 K時ZT=0.54的最高熱電性能。
　　其次，本論文還通過真空熔煉法、研磨以及真空熱壓法制備了一系列具有不同平均晶粒尺寸的Bi2Se3樣品Bi2Se3（d=330、100、80、50和33nm），并對其熱電輸運等性質做了詳細的分析研究。結果表明，隨著Bi2Se3多晶材料的平均晶粒尺寸在厚度上從亞微米級減小到80nm左右時，由于其受拓撲保護的傳導表面態(tài)貢獻不斷增加，