Bi2Te3體系的材料制備、晶體結(jié)構(gòu)及熱電性能.pdf

1、Bi2Te3基半導(dǎo)體合金是目前已知的室溫附近性能最佳的熱電材料,其塊體的熱電優(yōu)值ZT在1左右。已有的研究表明,對Bi2Te3基合金的相組成和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的優(yōu)化可以有效提高其熱電傳輸性能。
　　本文采用真空熔煉、溶劑熱等方法合成了不同化學(xué)組分的微米級和納米級合金粉末,結(jié)合放電等離子燒結(jié)、熱擠壓燒結(jié)等手段制備出了塊體Bi2Te3基半導(dǎo)體合金,系統(tǒng)研究了其微觀結(jié)構(gòu)和熱電性能。采用真空熔煉—高能球磨—放電等離子燒結(jié)的方法制備了塊體的B

2、i2Te3基合金,研究了Sb、Se的摻雜量對其熱電性能的影響,確定元素的最佳摻量。結(jié)果表明,固溶體Bi2(Te1-xSex)3表現(xiàn)出n型半導(dǎo)體特性,x值在0.1-0.15區(qū)間時(shí)試樣具有最佳的熱電性能,其熱電優(yōu)值ZT為0.62;固溶體(BixSb1-x)2Te3隨x值的增大其半導(dǎo)體的p/n特性會發(fā)生變化,當(dāng)x值在0.2左右時(shí)試樣表現(xiàn)為p型半導(dǎo)體特性,其最大的熱電優(yōu)值ZT為0.91。采用水熱法合成出了Bi2Te3納米合金粉末,研究了不同的反

3、應(yīng)條件對產(chǎn)物組成、結(jié)構(gòu)的影響。X射線衍射和SEM分析的結(jié)果表明,反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間對產(chǎn)物有重要影響,高的反應(yīng)溫度和較長的反應(yīng)時(shí)間有利于反應(yīng)的完全進(jìn)行,但不利于獲得粒徑細(xì)小的產(chǎn)物。在反應(yīng)溫度為120℃,反應(yīng)時(shí)間為20h時(shí),合成出單相的Bi2Te3,其顆粒尺寸在100-500nm范圍內(nèi)。以水熱法合成出了三元化合物Bi2(Te1-xSex)3和(BixSb1-x)2Te3,通過對產(chǎn)物的物相分析發(fā)現(xiàn),水熱合成的化合物主要是結(jié)構(gòu)相同、晶格常數(shù)存在

4、差異的兩相合金粉末,化合物為層片狀六面體結(jié)構(gòu),其顆粒粒徑在幾百個(gè)納米左右,厚度在幾十個(gè)納米范圍內(nèi)。將真空熔煉—球磨得到的微米級粉末和水熱合成得到的納米級粉末按不同比例均勻混合,采用放電等離子燒結(jié)的方法制備成設(shè)計(jì)組分為Bi2(Te0.90Se0.10)3和(Bi0.2Sbo.8)2Te3的塊體試樣,研究了納米粉末含量對化合物結(jié)構(gòu)和熱電傳輸性能的影響規(guī)律。
　　結(jié)果表明,納米粉末的含量變化顯著影響了Bi2Te3基材料的微觀結(jié)構(gòu)和熱電性

5、能。試樣的微觀結(jié)構(gòu)為層片狀,在尺寸較大的晶粒層中穿插著一些細(xì)小的晶粒,試樣具有較高的致密度。對于Bi2(Teo.90Seo.10)3試樣,試樣表現(xiàn)為n型半導(dǎo)體特性,納米粉末摻加量為12％時(shí),其熱電性能達(dá)到最佳為0.74。對于(Bi0.2Sb0.8)2Te3試樣,材料表現(xiàn)為p型半導(dǎo)體特性,試樣在納米粉末摻雜量為9％時(shí),ZT值達(dá)到最佳為1.22。Bi2Te3基合金的微觀結(jié)構(gòu)中晶粒排布具有一定的取向性,合金表現(xiàn)出熱電性能各向異性的特點(diǎn),所以單

6、晶體的熱電性能一般優(yōu)于多晶體,但其力學(xué)性能很差限制了它的應(yīng)用。提高多晶體的晶粒排布取向程度可以在提高材料力學(xué)性能的同時(shí)獲得類似單晶體的高熱電性能。采用粉體熱擠壓的方式制備了多晶n型Bi2Te3基塊體材料,根據(jù)X射線衍射結(jié)果計(jì)算其取向因子最高可達(dá)0.49。與區(qū)熔的單晶塊體相比,熱擠壓樣品的機(jī)械性能有了大幅度的提高,其抗折強(qiáng)度為58MPa,是區(qū)熔試樣的4倍。通過對擠壓模具的改進(jìn)和擠壓工藝的優(yōu)化,顯著減小了熱擠壓試樣中由于結(jié)構(gòu)梯度造成的熱電性

7、能不均勻的現(xiàn)象。熱擠壓溫度對于試樣的熱電性能具有較大的影響,過低和過高的溫度都會造成固溶體中元素的偏析,在400℃時(shí)制備的試樣為單相且性能最好,其垂直壓力方向上的熱電優(yōu)值ZT為0.75。
　　本文研究了復(fù)合粉末放電等離子燒結(jié)試樣和熱擠壓燒結(jié)試樣的各向異性特點(diǎn),通過對取向因子的計(jì)算定量考察了樣品的各向異性特點(diǎn),結(jié)果表明,納米相的加入會降低材料的晶粒取向程度,且隨納米相含量的增加這種現(xiàn)象隨之增強(qiáng);熱擠壓試樣的晶粒取向程度隨擠壓溫度的降