论文部分内容阅读
热电材料是一种能够实现热能和电能直接相互转换的功能材料,在温差发电和热电制冷等领域具有重要的应用价值和广泛的应用前景。Bi2Te3基化合物的最高无量纲热电优值ZT接近于1,是目前室温附近应用的最好的热电材料。制备纳米和低维的热电材料有助于提高材料的热电性能。 本文采用溶剂热/水热合成方法,以BiCl3、Te粉或Te化物以及稀土元素化合物为反应前驱体,采用不同的合成工艺路线,合成了多种含稀土元素的Bi2Te3基合金纳米粉及Bi2Te3纳米粉,应用XRD、TEM、SEM等手段对合成粉末进行了物相成分和微观形貌结构的分析;实验研究和具体讨论了Bi2Te3水热合成过程中的化学反应机理和形核长大机制。最后采用真空热压技术,对部分Bi2Te3基合金纳米粉末进行热压,并测试了其热电性能。本文主要取得以下研究结果。 1.采用溶剂热合成方法制备了颗粒尺寸在30nm左右的LaxBi2xTe3（x≤1）热电材料纳米粉末。并研究了反应温度和反应时间对产物成分和微观结构的影响,研究表明,含稀土元素La的Bi2Te3化合物与标准Bi2Te3有类似的晶体结构和晶胞常数,晶相La的含量随合成温度升高而明显提高,而反应时间对LaxBi4Te6中La含量无显著影响,并初步判断La在Bi2Te3相晶格中占据Bi原子的位置。合成产物的几何形态与Bi2Te3基化合物的层状晶体结构有关,同时与晶体生长中温度对离子扩散速度的影响有关。在较低温度下合成的产物以不规则多面体纳米颗粒为主,随温度升高合成产物形貌以弯曲的薄片状为主,并存在少量纳米管。 2.采用水热合成方法,在添加适当含量EDTA和强碱性条件（添加NaOH）下,制备了LaxBi2xSeyTe3y四元合金,并主要研究了合成过程中强碱性条件和添加EDTA对反应产物的影响,研究表明,添加足够量的碱性添加剂,是合成单相Bi2Te3基合金的必要条件;添加适量EDTA使得溶液中纳米薄片“自组装”连接形成一种纳米片状晶相互平行排列独特的花瓣状组织。但是过量EDTA的加入将抑制合成反应进行,形成颗粒状Bi和杆状TeSe固溶体。 3.采用水热法,分别合成制备了含稀土元素La的Bi2Te3基三元合金和四元合金（另外掺Se）化合物。并主要研究了产物的晶体结构特征和热电性能参数随温度的变化。研究发现,Bi2Te3基三元或四元合金其晶体结构同标准的Bi2Te3基本相似,均为六面体层状结构,稀土元素La在晶胞中的占位是随机取代了Bi2Te3晶格中6c位的Bi原子,四元合金中Se原子取代大部分3a位和少部分6c位的Te原子。根据占位数对其合成产物实际成分进行计算,认为与设计含量基本吻合。通过对Bi2Te3基三元或四元合金试样热电性能的分析,发现Bi2Te3基三元和四元合金热电材料均为n型半导体,说明置换Bi