铊、碘掺杂对Bi2Te3材料热电性能的影响

摘要

热电材料是能够实现热能和电能直接转化的材料，它是一种环境友好型材料，有着优良的性能和广泛的应用前景。世界正面临着三大危机：能源紧缺、环境污染、生态破坏，随着人们的环保意识逐渐加深，对材料的需求日益增加，因此，关于新材料的研究受到越来越多的追捧。热电材料作为新材料之一，可用来制作热电器件。这些热电器件一方面可以用作温差发电，另一方面可以热电制冷。热电材料的热电性能可通过无量纲热电优值ZT来评价（ZT-s2t/(pk)，其中S、ρ和k分别指该材料的Seebeck系数、电阻率和热导率，T是该材料工作时的绝对温度）。降低热导率以及提高功率因子(PF=α2σ)均可以提高材料的热电优值，即热电性能。
　　目前，在不同的热电材料中，Bi2Te3(碲化铋)材料是室温范围内最可能投入大量实际应用、最有前景的热电材料之一。关于碲化铋材料的实际应用很广泛，许多制冷元件均使用这种材料。但是由于Bi2Te3材料的ZT值一直在1左右徘徊，因而并没有得到大规模应用。为实现大规模商业化应用，进一步提高Bi2Te3的热电性能是目前研究的热点。纳米技术和能带工程成为目前提高Bi2Te3材料热电性能的主要技术途径。
　　本文结合纳米化和元素掺杂，研究铊单掺及铊碘双元素掺杂对Bi2Te3材料热电性能的影响，主要研究内容和结果如下：
　　1.铊掺杂纳米粉体的水热法制备及其块体的热电性能研究。我们研究了铊掺杂后合成的纳米粉体的形貌。研究发现，铊掺杂能够明显改变合成粉体的形貌。当制成的纳米粉体被热压成块体后，块体的热电性能也有显著的改变。与未掺杂样品相比，铊掺杂能够明显提高样品的Seebeck系数，但掺杂后材料的电导率减小了。铊掺杂后样品的功率因子随铊掺杂量的增加而减少，导致ZT值没有明显的改善。主要原因是因为电阻率的增加以及掺杂后纳米粉体花状形貌的消失。
　　2.铊和碘双元素掺杂对热电性能的影响。研究了双掺对粉体形貌影响。铊碘双元素掺杂花状纳米粉体的制备方法与单掺铊时的方法相似。研究表明EDTA表面活性剂的用量会显著影响粉体形貌。元素掺杂不易形成花状形貌的Bi2Te3纳米粉体，主要原因是Tl替代了Bi，I替代了Te，改变了Bi2Te3晶体内的键能，减慢了Bi2Te3晶体沿a轴、b轴的生长速度，故构成花状形貌纳米粉体的片状结构很难形成。在之前的研究中，我们发现EDTA对于反应后的形貌有巨大的影响，合适的量能够促进晶体形成纳米片，进而生成花状结构。通过调节EDTA的量，我们得到了所需的花状纳米粉体。
　　将制得的样品粉体热压成块体用来研究双元素掺杂对其热电性能的影响。研究发现与未掺杂相比，由花状形貌粉体制得的Tl0.2Bi1.8Te2.8I0.2有一个较高的塞贝克系数和较低的热导率，但是电阻率变化不大。因此，由花状微观形貌的粉体热压后的Tl0.2Bi1.8Te2.8I0.2样品的ZT值在398K达到了1.3。这主要是因为由花状形貌纳米粉体制备的块体样品其微观结构由大的片状晶粒和细小晶粒构成，这有利于散射声子降低热导率，但是对载流子的输运影响不大，不会使电导的性能变坏。

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1 绪论

1.1 引言

1.2 热电领域基础理论

1.3 热电材料的研究进展

1.4 热电材料的发展趋势

1.5 碲化铋热电材料的研究现状

1.6 研究课题的提出

1.7 本文主要研究的内容及思路

2 实验方法

2.1 实验原料

2.2 实验过程

2.3 材料的物相结构及微观形貌表征

2.4 块体试样的热电性能测试

3 Tl掺杂对Bi2Te3热电性能的影响

3.1 引言

3.2 实验方法

3.3 物相和形貌分析

3.4.结果与讨论

3.4 小结

4 Tl、I双掺对Bi2Te3形貌和热电性能的影响

4.1 引言

4.2 实验方法

4.3 EDTA用量对Tl0.2Bi1.8Te2.8I0.2粉体形貌的影响

4.4物相和形貌分析

4.5 结果与讨论

4.6 小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

个人简历及硕士期间发表的论文

致谢