Bi、Te及其合金纳米线和PEDOT复合热电薄膜的制备与表征

摘要

纳米线由于量子限域效应和强烈声子界面散射而具有高的Seebeck系数和低的热导率，被认为是最具潜力的热电材料。为了获得高纯度高质量纳米线，本文以同成分纳米晶种作为模板，发展了一种自模板生长纳米线的方法，分别制备了Bi、Te和Bi2Te3纳米线，探索了纳米线生长的影响因素，研究了纳米线的物相组成、微观结构和生长机制，优化了制备工艺。利用PEDOT良好的导电性、稳定性和加工性，采用提拉镀膜方法分别制备了PEDOT:PSS/Bi和PEDOT:PSS/Bi2Te3复合薄膜，研究了复合薄膜的形貌和结构，探索了Bi和Bi2Te3纳米线含量对复合薄膜电输运性能的影响规律。得到如下主要成果：
　　(1)采用自模板生长法，以Bi晶种为模板，制备了直径为40–50nm、长度为几十微米的高纯Bi纳米线，研究了温度、还原剂和晶种等因素对高纯Bi纳米线生长的影响。结果表明，控制温度可以调节Bi的形核速率，最佳温度是140℃；选择还原性较弱的乙二醇作为还原剂可以使Bi的形核速率保持在较低的水平；同成分晶种作为Bi纳米线外延生长的模板有利于生成纳米线。Bi纳米线的生长方向为[112?0]，其生长演变过程为Bi晶种→纳米颗粒→纳米簇→纳米棒→纳米线。
　　(2)采用自模板生长法，以Te晶种为模板，制备了直径为40–50nm、长度为几十微米的高质量Te纳米线，研究了温度、晶种和表面活性剂等因素对高纯Te纳米线生长的影响。结果表明，控制温度可以调节Te的形核速率，最佳温度是140℃；利用同成分晶种作为Te纳米线外延生长的模板有利于生成纳米线；选择分子量较高的表面活性剂可以诱导Te沿其链与之配位，防止Te核聚集，使用PVP K90可以得到高长径比的Te纳米线。Te纳米线的生长方向为[0001]，其生长演变过程为Te晶种→纳米颗粒→纳米棒→纳米线。
　　(3)采用自模板生长法，以Te纳米线为模板，制备了直径为50–70nm、长度为几微米到十几微米的高纯Bi2Te3纳米线。实验结果表明，Te纳米线作为生长模板，可以阻止 Bi2Te3晶核多中心生长成球形纳米粒子，对Bi2Te3纳米线的形成起着至关重要的作用。Bi2Te3纳米线的主轴方向为[011?4?]，Bi2Te3纳米线的生长过程表现为Bi晶核向模板Te纳米线扩散并发生合金化反应。
　　(4)采用提拉镀膜法分别制备了PEDOT:PSS/Bi和PEDOT:PSS/Bi2Te3复合薄膜，研究了两种复合薄膜的形貌、结构和纳米线含量变化对复合薄膜电输运性能的影响规律。结果表明，PEDOT:PSS薄膜的电导率为42.7S/cm，PEDOT:PSS/Bi和PEDOT:PSS/Bi2Te3复合薄膜的电导率分别随Bi和Bi2Te3纳米线含量增加先增大后减小；Bi含量为0.4wt％时，PEDOT:PSS/Bi复合薄膜的最大电导率达95.9S/cm，与PEDOT:PSS薄膜相比提高了125%；Bi2Te3含量为0.6wt%时，PEDOT:PSS/Bi2Te3复合薄膜的最大电导率达82.6S/cm，与PEDOT:PSS薄膜相比提高了93%；两种复合薄膜的Seebeck系数并无明显变化。

目录

声明

第1章 前 言

1.1 研究背景和意义

1.2 热电材料基本理论

1.3 低维热电材料

1.4 聚3, 4-乙撑二氧噻吩热电材料

1.5 本文的研究思路和主要内容

第2章 Bi纳米线的制备与表征

2.1 引 言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

第3章 Te纳米线的制备与表征

3.1 引 言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第4章 Bi2Te3纳米线的制备与表征

4.1 引 言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第5章 PEDOT:PSS/纳米线复合薄膜的制备与表征

5.1 引 言

5.2 实验部分

5.3 PEDOT:PSS/Bi纳米线复合薄膜的表征

5.4 PEDOT:PSS/Bi2Te3纳米线复合薄膜的表征

5.5 本章小结

第6章 结 论

参考文献

致谢

硕士期间发表论文