硫族化合物熱電材料的溶劑熱法制備及其性能.pdf

1、熱電效應(yīng)以全固態(tài)能源轉(zhuǎn)化為特征，提供了一種安全可靠的熱能與電能相互轉(zhuǎn)換技術(shù)。熱電器件在溫差發(fā)電與半導(dǎo)體制冷等領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用。Ⅳ-Ⅵ、Ⅴ-Ⅵ硫族化合物是室溫區(qū)及中溫區(qū)重要的熱電材料，其中Bi2Te3基熱電材料在室溫附近擁有最優(yōu)秀的熱電性能。具有納米結(jié)構(gòu)的新型塊體熱電材料，在改善材料機(jī)械性能的同時(shí)，對(duì)于其熱電性能也有一定的提升。在使用“Bottom-up”法制備具有納米結(jié)構(gòu)的新型塊體熱電材料的工藝中，納米粉末的制備是重要的一環(huán)，其中，以

2、水熱/溶劑熱法為代表的溶液化學(xué)法在合成10納米級(jí)粉末方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，近十年來(lái)得到本領(lǐng)域廣泛重視。
　　本文以熱電材料納米粉末可控合成和微納復(fù)合塊體材料性能優(yōu)化為研究目標(biāo)，系統(tǒng)研究了Bi2Te3及其他Ⅳ-Ⅵ、Ⅴ-Ⅵ硫族化合物納米粉末的乙二醇還原溶劑熱合成技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上研究了Bi2Te3基微納復(fù)合塊體熱電材料的制備技術(shù)和熱電性能。取得了以下主要研究成果:
　　(1)本文開(kāi)發(fā)了一種用于Bi2Te3納米粉末可控合成的乙二醇還原

3、溶劑熱法。這種方法的主要特點(diǎn)是不添加其他還原劑，利用反應(yīng)介質(zhì)(乙二醇)的弱還原作用和較低的合成溫度(180℃)，控制Bi2Te3的形核與生長(zhǎng)，從而獲得了具有規(guī)則六方形形貌、尺寸均勻的Bi2Te3單晶納米片。同時(shí)，還系統(tǒng)研究了反應(yīng)溫度、堿性環(huán)境以及PVP表面活性劑對(duì)合成產(chǎn)物形貌和尺寸的影響，發(fā)現(xiàn)表面活性劑對(duì)于反應(yīng)產(chǎn)物的形貌有著決定性的影響，Bi2Te3單晶納米片的厚度可以通過(guò)反應(yīng)溶液堿性程度有效控制。采用擴(kuò)散控制的三階段反應(yīng)機(jī)理闡述了Bi

4、2Te3單晶納米片的生長(zhǎng)過(guò)程。
　　(2)采用相似的乙二醇還原溶劑熱合成方法，成功合成了Sb2Te3、Bi2Se3、Sb2Se3、PbTe、SnTe、PbSe等二元化合物和Bi0.5Sb1.5Te3、Bi2Te2Se三元化合物的納米粉末，表明這種乙二醇還原溶劑熱法對(duì)Ⅳ-Ⅵ、Ⅴ-Ⅵ硫族化合物納米材料的合成具有良好的工藝普適性與工藝兼容性。
　　(3)采用真空熱壓方法，制備了Bi2Te3基微納復(fù)合塊體熱電材料，并系統(tǒng)研究了納米粉

5、末含量對(duì)微納復(fù)合塊體試樣熱電性能的影響。結(jié)果表明，增加復(fù)合材料中的納米粉末含量，可以顯著降低塊體試樣的熱導(dǎo)率。研究發(fā)現(xiàn)，微納復(fù)合熱電材料的電導(dǎo)率和Seebeck系數(shù)不僅受到納米晶界散射的影響，而且還與Te空位、反位缺陷、施主效應(yīng)等點(diǎn)缺陷密切相關(guān)，深入研究微納復(fù)合熱電材料中的各類點(diǎn)缺陷存在形態(tài)和作用機(jī)理，是理解微納復(fù)合熱電材料中載流子輸運(yùn)行為和進(jìn)一步優(yōu)化材料熱電性能的關(guān)鍵。在本文實(shí)驗(yàn)研究范圍內(nèi)，含85％納米粉末的微納復(fù)合材料熱電性能最好，