Bi-,2-Te-,3-體系的材料制備、晶體結(jié)構(gòu)及熱電性能.pdf

1、Bi2Te3基半導(dǎo)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(yōu)值ZT在1左右。已有的研究表明,對(duì)Bi2Te3基合金的相組成和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的優(yōu)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(xué)組分的微米級(jí)和納米級(jí)合金粉末,結(jié)合放電等離子燒結(jié)、熱擠壓燒結(jié)等手段制備出了塊體Bi2Te3基半導(dǎo)體合金,系統(tǒng)研究了其微觀結(jié)構(gòu)和熱電性能。
　　 采用真空熔煉-高能球磨-放電等離子燒結(jié)的方法制備了塊體

2、的Bi2Te3基合金,研究了Sb、Se的摻雜量對(duì)其熱電性能的影響,確定元素的最佳摻量。結(jié)果表明,固溶體Bi2(Te1-xSex)3表現(xiàn)出n型半導(dǎo)體特性,x值在0.1～0.15區(qū)間時(shí)試樣具有最佳的熱電性能,其熱電優(yōu)值ZT為0.62;固溶體(BixSb1-x)2Te3隨x值的增大其半導(dǎo)體的p/n特性會(huì)發(fā)生變化,當(dāng)x值在0.2左右時(shí)試樣表現(xiàn)為p型半導(dǎo)體特性,其最大的熱電優(yōu)值ZT為0.91。
　　 采用水熱法合成出了Bi2Te3納米合金

3、粉末,研究了不同的反應(yīng)條件對(duì)產(chǎn)物組成、結(jié)構(gòu)的影響。X射線(xiàn)衍射和SEM分析的結(jié)果表明,反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間對(duì)產(chǎn)物有重要影響,高的反應(yīng)溫度和較長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間有利于反應(yīng)的完全進(jìn)行,但不利于獲得粒徑細(xì)小的產(chǎn)物。在反應(yīng)溫度為120℃,反應(yīng)時(shí)間為20h時(shí),合成出單相的Bi2Te3,其顆粒尺寸在100～500nm范圍內(nèi)。以水熱法合成出了三元化合物Bi2(Te1-xSex)3和(BixSb1-x)2Te3,通過(guò)對(duì)產(chǎn)物的物相分析發(fā)現(xiàn),水熱合成的化合物主要是結(jié)

4、構(gòu)相同、晶格常數(shù)存在差異的兩相合金粉末,化合物為層片狀六面體結(jié)構(gòu),其顆粒粒徑在幾百個(gè)納米左右,厚度在幾十個(gè)納米范圍內(nèi)。
　　 將真空熔煉-球磨得到的微米級(jí)粉末和水熱合成得到的納米級(jí)粉末按不同比例均勻混合,采用放電等離子燒結(jié)的方法制備成設(shè)計(jì)組分為Bi2(Te0.90Se0.10)3和(Bi0.2Sb0.8)2Te3的塊體試樣,研究了納米粉末含量對(duì)化合物結(jié)構(gòu)和熱電傳輸性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明,納米粉末的含量變化顯著影響了Bi2Te3

5、基材料的微觀結(jié)構(gòu)和熱電性能。試樣的微觀結(jié)構(gòu)為層片狀,在尺寸較大的晶粒層中穿插著一些細(xì)小的晶粒,試樣具有較高的致密度。對(duì)于Bi2(Te0.90Se0.10)3試樣,試樣表現(xiàn)為n型半導(dǎo)體特性,納米粉末摻加量為12％時(shí),其熱電性能達(dá)到最佳為0.74。對(duì)于(Bi0.2Sb0.8)2Te3試樣,材料表現(xiàn)為p型半導(dǎo)體特性,試樣在納米粉末摻雜量為9％時(shí),ZT值達(dá)到最佳為1.22。
　　 Bi2Te3基合金的微觀結(jié)構(gòu)中晶粒排布具有一定的取向性,

6、合金表現(xiàn)出熱電性能各向異性的特點(diǎn),所以單晶體的熱電性能一般優(yōu)于多晶體,但其力學(xué)性能很差限制了它的應(yīng)用。提高多晶體的晶粒排布取向程度可以在提高材料力學(xué)性能的同時(shí)獲得類(lèi)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(jù)X射線(xiàn)衍射結(jié)果計(jì)算其取向因子最高可達(dá)0.49。與區(qū)熔的單晶塊體相比,熱擠壓樣品的機(jī)械性能有了大幅度的提高,其抗折強(qiáng)度為58MPa,是區(qū)熔試樣的4倍。通過(guò)對(duì)擠壓模具的改進(jìn)和擠壓工藝的優(yōu)化,顯著減

7、小了熱擠壓試樣中由于結(jié)構(gòu)梯度造成的熱電性能不均勻的現(xiàn)象。熱擠壓溫度對(duì)于試樣的熱電性能具有較大的影響,過(guò)低和過(guò)高的溫度都會(huì)造成固溶體中元素的偏析,在400℃時(shí)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(yōu)值ZT為0.75。
　　 本文研究了復(fù)合粉末放電等離子燒結(jié)試樣和熱擠壓燒結(jié)試樣的各向異性特點(diǎn),通過(guò)對(duì)取向因子的計(jì)算定量考察了樣品的各向異性特點(diǎn),結(jié)果表明,納米相的加入會(huì)降低材料的晶粒取向程度,且隨納米相含量的增加這種現(xiàn)象隨之