Bi2Te3体系的材料制备、晶体结构及热电性能

摘要

Bi2Te3基半导体合金是目前已知的室温附近性能最佳的热电材料,其块体的热电优值ZT在1左右。已有的研究表明,对Bi2Te3基合金的相组成和微观结构进行合理的优化可以有效提高其热电传输性能。
　　本文采用真空熔炼、溶剂热等方法合成了不同化学组分的微米级和纳米级合金粉末,结合放电等离子烧结、热挤压烧结等手段制备出了块体Bi2Te3基半导体合金,系统研究了其微观结构和热电性能。采用真空熔炼—高能球磨—放电等离子烧结的方法制备了块体的Bi2Te3基合金,研究了Sb、Se的掺杂量对其热电性能的影响,确定元素的最佳掺量。结果表明,固溶体Bi2(Te1-xSex)3表现出n型半导体特性,x值在0.1-0.15区间时试样具有最佳的热电性能,其热电优值ZT为0.62;固溶体(BixSb1-x)2Te3随x值的增大其半导体的p/n特性会发生变化,当x值在0.2左右时试样表现为p型半导体特性,其最大的热电优值ZT为0.91。采用水热法合成出了Bi2Te3纳米合金粉末,研究了不同的反应条件对产物组成、结构的影响。X射线衍射和SEM分析的结果表明,反应温度和反应时间对产物有重要影响,高的反应温度和较长的反应时间有利于反应的完全进行,但不利于获得粒径细小的产物。在反应温度为120℃,反应时间为20h时,合成出单相的Bi2Te3,其颗粒尺寸在100-500nm范围内。以水热法合成出了三元化合物Bi2(Te1-xSex)3和(BixSb1-x)2Te3,通过对产物的物相分析发现,水热合成的化合物主要是结构相同、晶格常数存在差异的两相合金粉末,化合物为层片状六面体结构,其颗粒粒径在几百个纳米左右,厚度在几十个纳米范围内。将真空熔炼—球磨得到的微米级粉末和水热合成得到的纳米级粉末按不同比例均匀混合,采用放电等离子烧结的方法制备成设计组分为Bi2(Te0.90Se0.10)3和(Bi0.2Sbo.8)2Te3的块体试样,研究了纳米粉末含量对化合物结构和热电传输性能的影响规律。
　　结果表明,纳米粉末的含量变化显著影响了Bi2Te3基材料的微观结构和热电性能。试样的微观结构为层片状,在尺寸较大的晶粒层中穿插着一些细小的晶粒,试样具有较高的致密度。对于Bi2(Teo.90Seo.10)3试样,试样表现为n型半导体特性,纳米粉末掺加量为12％时,其热电性能达到最佳为0.74。对于(Bi0.2Sb0.8)2Te3试样,材料表现为p型半导体特性,试样在纳米粉末掺杂量为9％时,ZT值达到最佳为1.22。Bi2Te3基合金的微观结构中晶粒排布具有一定的取向性,合金表现出热电性能各向异性的特点,所以单晶体的热电性能一般优于多晶体,但其力学性能很差限制了它的应用。提高多晶体的晶粒排布取向程度可以在提高材料力学性能的同时获得类似单晶体的高热电性能。采用粉体热挤压的方式制备了多晶n型Bi2Te3基块体材料,根据X射线衍射结果计算其取向因子最高可达0.49。与区熔的单晶块体相比,热挤压样品的机械性能有了大幅度的提高,其抗折强度为58MPa,是区熔试样的4倍。通过对挤压模具的改进和挤压工艺的优化,显著减小了热挤压试样中由于结构梯度造成的热电性能不均匀的现象。热挤压温度对于试样的热电性能具有较大的影响,过低和过高的温度都会造成固溶体中元素的偏析,在400℃时制备的试样为单相且性能最好,其垂直压力方向上的热电优值ZT为0.75。
　　本文研究了复合粉末放电等离子烧结试样和热挤压烧结试样的各向异性特点,通过对取向因子的计算定量考察了样品的各向异性特点,结果表明,纳米相的加入会降低材料的晶粒取向程度,且随纳米相含量的增加这种现象随之增强;热挤压试样的晶粒取向程度随挤压温度的降低而提高。对热挤压试样垂直和平行于压力方向上的电性能进行了测试,结果表明,试样垂直于压力方向上的电导率约是平行于压力方向上的电导率的2.4倍,试样的Seebeck系数随测试方向的变化不明显。

目录

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 热电效应

1.2 提高热电材料性能的途径

1.3 热电材料的研究进展

1.4 Bi_2Te_3基热电材料的研究进展

1.5 本论文的研究目的和内容

第2章 实验方法与测试

2.1 实验内容

2.1.1 熔融法制备Bi_2Te_3合金

2.1.2 溶剂热合成法制备Bi_2Te_3基纳米合金微粉

2.1.3 微米与纳米Bi_2Te_3基复合粉末的SPS烧结

2.1.4 热挤压制备Bi_2Te_3基多晶材料

2.2 材料制备仪器与测试装置

2.2.1 材料制备仪器

2.2.2 热电性能测试原理及装置

第3章 熔融法制备Bi_2Te_3基热电材料

3.1 试样的制备与测试

3.2 n型Bi_2(Te_xSe_(1-x))_3试样的热电性能

3.2.1 n型Bi_2(Te_xSe_(1-x))_3试样的电导率

3.2.2 n型Bi_2(Te_xSe_(1-x))_3试样的Seebeck系数

3.2.3 n型Bi_2(Te_xSe_(1-x))_3试样的热导率

3.2.4 n型Bi_2(Te_xSe_(1-x))_3试样的热电优值ZT

3.3 p型(Bi_xSb_(1-x))_2Te_3试样的热电性能

3.3.1 p型(Bi_xSb_(1-x))_2Te_3试样的电导率

3.3.2 p型(Bi_xSb_(1-x))_2Te_3试样的Seebeck系数

3.3.3 p型(Bi_xSb_(1-x))_2Te_3试样的热导率

3.3.4 p型(Bi_xSb_(1-x))_2Te_3试样的热电优值ZT

3.4 本章小结

第4章 溶剂热合成法制备Bi_2Te_3基纳米粉末

4.1 水热合成Bi_2Te_3纳米粉

4.1.1 反应温度对Bi_2Te_3纳米粉合成的影响

4.1.2 反应时间对Bi_2Te_3纳米粉合成的影响

4.2 水热合成Bi_2(Te_(1-x)Se_x)_3纳米粉

4.2.1 Bi_2(Te_(1-x)Se_x)_3试样的制备

4.2.2 Bi_2(Te_(1-x)Se_x)_3试样的微观结构

4.3 水热合成(Bi_xSb_(1-x))_2Te_3纳米粉

4.3.1 (Bi_xSb_(1-x))_2Te_3试样的制备

4.3.2 (Bi_xSb_(1-x))_2Te_3试样的微观结构

4.3.3 水热合成(Bi_xSb_(1-x))_2Te_3的化学反应过程

4.4 本章小结

第5章 微纳米粉末复合制备块体Bi_2Te_3基热电材料

5.1 试样的制备与测试

5.2 结果与讨论

5.2.1 试样相组成分析

5.2.2 试样微观结构分析

5.2.3 试样的热电性能

5.3 本章小结

第6章 Bi_2Te_3基半导体合金的微观结构与热电性能

6.1 热挤压模具的设计

6.2 试样的制备与测试

6.3 结果与讨论

6.3.1 不同温度挤压试样的XRD分析

6.3.2 不同温度挤压试样的SEM分析

6.3.3 不同温度挤压试样的热电性能分析

6.3.4 热挤压试样不同区域热电相能分析

6.3.5 不同温度热挤压试样力学性能分析

6.4 Bi_2Te_3基热电合金晶体取向性分析

6.4.1 试样不同方向的XRD分析

6.4.2 试样不同方向的SEM分析

6.4.3 试样不同方向的电传输性分析

6.5 本章小结

第7章 结论

参考文献

攻读博士学位期间发表论文

致谢