石墨烯復(fù)合碲化鉍基熱電材料的制備與性能研究.pdf

1、Bi2Te3基化合物作為室溫附近性能最好的熱電材料之一，在航空航天、醫(yī)療器材、微電子及生物芯片等多種領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前途。但傳統(tǒng)的Bi2Te3基塊體材料的熱電優(yōu)值一直在一個比較低的水平徘徊，隨著納米技術(shù)的興起，近年來有關(guān)在低維材料中取得高熱電優(yōu)值的報道層出不窮，已有研究表明，將熱電材料晶粒細化到納米級，可以實現(xiàn)費米能級附近電子態(tài)密度的提高和增強聲子的散射作用，有利于提高Seebeck系數(shù)以及降低晶格熱導(dǎo)率。石墨烯作為一種新材料，具有大

2、的電導(dǎo)率、高載流子遷移率和優(yōu)異的力學(xué)性能，所以已經(jīng)被廣泛研究用來制備各種功能復(fù)合材料。
　　 本文分別采用購買和自制的石墨烯制備了石墨烯納米片復(fù)合Bi2Te3基材料，并對其熱電性能進行了研究。主要采用水熱法結(jié)合放電等離子燒結(jié)(SPS)技術(shù)制備了石墨烯納米片復(fù)合Bi2Te3基熱電材料，通過X射線衍射分析(XRD)、場發(fā)射掃描電鏡(FESEM)及高分辨透射電鏡(HRTEM)等多種分析測試手段研究了制備材料的相組成及微觀結(jié)構(gòu);通過對S

3、eebeek系數(shù)、電導(dǎo)率及熱導(dǎo)率等性能的測試，考察了Sb摻雜及石墨烯納米片復(fù)合對Bi2Te3基熱電材料性能的影響。
　　 主要研究內(nèi)容如下:
　　 首先我們系統(tǒng)的研究了不同水熱合成條件及石墨烯納米片復(fù)合對Bi2Te3粉體物相、形貌以及顆粒尺寸的影響。研究發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)溫度的提高有利于反應(yīng)的順利進行，但是過高的溫度會使產(chǎn)物粉體的晶粒迅速長大，對晶粒尺寸的納米化不利。同樣，保溫時間的延長也是促進晶粒生長的一個因素。而絡(luò)合劑的存在

4、則可以降低反應(yīng)溫度或縮短保溫時間。隨著石墨烯納米片復(fù)合濃度的提高，復(fù)合粉體中的Bi2Te3顆粒尺寸減小。
　　 采用放電等離子燒結(jié)技術(shù)對合成的復(fù)合粉體進行燒結(jié)制備塊體材料。研究發(fā)現(xiàn)隨著石墨烯納米片復(fù)合量的增加，塊體樣品的相對密度逐步變小，這是因為引入石墨烯納米片影響了Bi2Te3粉體燒結(jié)致密化過程。此外，隨著石墨烯納米片復(fù)合量的增加，通過觀察燒結(jié)樣品斷面的顯微結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，樣品的晶粒尺寸也有逐漸變小的趨勢。與水熱合成的粉體相比，經(jīng)過

5、燒結(jié)后樣品的晶粒尺寸并沒有很明顯的長大，這與SPS技術(shù)升溫速度快、燒結(jié)時間短的優(yōu)點有關(guān)。通過對所制備Bi2Te3/Graphene復(fù)合材料的熱電性能研究發(fā)現(xiàn):具有最高ZT值的樣品是石墨烯納米片復(fù)合含量為0.2v％的Bi2Te3材料，最高值出現(xiàn)在475K，大約為0.21，比純相Bi2Te3樣品高出31％。
　　 因為三元合金對短波長聲子的散射較強，可進一步降低熱導(dǎo)率，材料的能帶結(jié)構(gòu)也得以優(yōu)化，因此三元合金具有更高的熱電性能。本文用

6、水熱法成功合成了P型Bi0.5Sb1.5Te3三元合金，并對其相組成進行了表征分析。通過與Bi2Te3的熱電性能對比后發(fā)現(xiàn)，經(jīng)Sb摻雜后，材料Seebeck系數(shù)的提高和熱導(dǎo)率的降低使Bi0.5Sb1.5Te3的ZT值比Bi2Te3的高。復(fù)合石墨烯納米片對樣品中Bi0.5Sb1.5Te3粉體以及塊體微觀結(jié)構(gòu)的影響趨勢與對Bi2Te3的影響相似。不同的是經(jīng)過石墨烯納米片復(fù)合的Bi0.5Sb1.5Te3材料，其熱導(dǎo)率比純相Bi0.5Sb1.5