Bi2Te3體系的材料制備、晶體結構及熱電性能.pdf

1、Bi2Te3基半導體合金是目前已知的室溫附近性能最佳的熱電材料,其塊體的熱電優值ZT在1左右。已有的研究表明,對Bi2Te3基合金的相組成和微觀結構進行合理的優化可以有效提高其熱電傳輸性能。
　　本文采用真空熔煉、溶劑熱等方法合成了不同化學組分的微米級和納米級合金粉末,結合放電等離子燒結、熱擠壓燒結等手段制備出了塊體Bi2Te3基半導體合金,系統研究了其微觀結構和熱電性能。采用真空熔煉—高能球磨—放電等離子燒結的方法制備了塊體的B

2、i2Te3基合金,研究了Sb、Se的摻雜量對其熱電性能的影響,確定元素的最佳摻量。結果表明,固溶體Bi2(Te1-xSex)3表現出n型半導體特性,x值在0.1-0.15區間時試樣具有最佳的熱電性能,其熱電優值ZT為0.62;固溶體(BixSb1-x)2Te3隨x值的增大其半導體的p/n特性會發生變化,當x值在0.2左右時試樣表現為p型半導體特性,其最大的熱電優值ZT為0.91。采用水熱法合成出了Bi2Te3納米合金粉末,研究了不同的反

3、應條件對產物組成、結構的影響。X射線衍射和SEM分析的結果表明,反應溫度和反應時間對產物有重要影響,高的反應溫度和較長的反應時間有利于反應的完全進行,但不利于獲得粒徑細小的產物。在反應溫度為120℃,反應時間為20h時,合成出單相的Bi2Te3,其顆粒尺寸在100-500nm范圍內。以水熱法合成出了三元化合物Bi2(Te1-xSex)3和(BixSb1-x)2Te3,通過對產物的物相分析發現,水熱合成的化合物主要是結構相同、晶格常數存在

4、差異的兩相合金粉末,化合物為層片狀六面體結構,其顆粒粒徑在幾百個納米左右,厚度在幾十個納米范圍內。將真空熔煉—球磨得到的微米級粉末和水熱合成得到的納米級粉末按不同比例均勻混合,采用放電等離子燒結的方法制備成設計組分為Bi2(Te0.90Se0.10)3和(Bi0.2Sbo.8)2Te3的塊體試樣,研究了納米粉末含量對化合物結構和熱電傳輸性能的影響規律。
　　結果表明,納米粉末的含量變化顯著影響了Bi2Te3基材料的微觀結構和熱電性

5、能。試樣的微觀結構為層片狀,在尺寸較大的晶粒層中穿插著一些細小的晶粒,試樣具有較高的致密度。對于Bi2(Teo.90Seo.10)3試樣,試樣表現為n型半導體特性,納米粉末摻加量為12％時,其熱電性能達到最佳為0.74。對于(Bi0.2Sb0.8)2Te3試樣,材料表現為p型半導體特性,試樣在納米粉末摻雜量為9％時,ZT值達到最佳為1.22。Bi2Te3基合金的微觀結構中晶粒排布具有一定的取向性,合金表現出熱電性能各向異性的特點,所以單

6、晶體的熱電性能一般優于多晶體,但其力學性能很差限制了它的應用。提高多晶體的晶粒排布取向程度可以在提高材料力學性能的同時獲得類似單晶體的高熱電性能。采用粉體熱擠壓的方式制備了多晶n型Bi2Te3基塊體材料,根據X射線衍射結果計算其取向因子最高可達0.49。與區熔的單晶塊體相比,熱擠壓樣品的機械性能有了大幅度的提高,其抗折強度為58MPa,是區熔試樣的4倍。通過對擠壓模具的改進和擠壓工藝的優化,顯著減小了熱擠壓試樣中由于結構梯度造成的熱電性

7、能不均勻的現象。熱擠壓溫度對于試樣的熱電性能具有較大的影響,過低和過高的溫度都會造成固溶體中元素的偏析,在400℃時制備的試樣為單相且性能最好,其垂直壓力方向上的熱電優值ZT為0.75。
　　本文研究了復合粉末放電等離子燒結試樣和熱擠壓燒結試樣的各向異性特點,通過對取向因子的計算定量考察了樣品的各向異性特點,結果表明,納米相的加入會降低材料的晶粒取向程度,且隨納米相含量的增加這種現象隨之增強;熱擠壓試樣的晶粒取向程度隨擠壓溫度的降