n型Bi-Te-Se材料的纳米合成及低温热电性能研究

This program is aimed to investigate the low temperature electrical and thermal transport properties in n-type Bi-Te-Se based materials ,which are prepared by solvothermal method. As the solvothermal method is proved effective in synthesizing nanopowder in different shapes, some particular nano-morphologies which are beneficial to inhibiting the growth of grain size during hot press processing could be prepared. This program focuses on revealing the relations between the microstructures of the nano-scale n-type Bi-Te-Se based alloys and the reaction temperature, time, precursor, and the solvent. On the other hand, the relation between the morphology and hot pressing parameters (eg. temperature and time) will be elucidated, tegother with the influence of morphology on the thermoelectric performance of the n-type Bi-Te-Se based materials. And baded on the facts as clarified in this program, further optimizations will be carried out to improve the thermoelectric performance of the n-type Bi-Te-Se based materials at low temperature.

本申请项目将采用溶剂热法直接合成n型Bi-Te-Se三元热电纳米粉末，与二元复合材料相比，Bi-Te-Se三元材料在后续的热压成型过程中避免了复合不均、二次污染等问题；溶剂热方法较能有效合成尺寸较小的纳米粉末，尤其是具有特殊结构的纳米形貌还能够抑制其在热压成型过程中的晶粒长大，保证了块体材料的晶粒具有纳米尺寸，而在低温下纳米效应对声子散射作用更为明显，从而使得n型Bi-Te-Se基块体材料的低温热电性能得到提高。通过本项目的实施，将揭示反应温度、时间、前驱体以及溶剂等反应参数对合成n型Bi-Te-Se基纳米材料微观形态的影响规律；揭示热压温度、时间等对Bi-Te-Se基块体材料微观形态形成的演变规律；以及Bi-Te-Se基块体材料的晶粒尺寸和晶界等微结构的变化对其低温热电输运特性的影响规律。在揭示上述规律的基础上，通过对n型Bi-Te-Se基纳米材料的优化设计来实现其低温热电性能的提高。

热电材料是一种能够实现电能与热能之间直接转换的功能材料，其提供了一种安全可靠、全固态的发电和制冷方式，具有广泛的应用前景。Bi2Te3基化合物是室温下性能最好的热电材料之一，经过几十年的研究，块体Bi2Te3基材料的最高热电优值ZT徘徊在1左右。随着纳米技术的兴起，近年来有关低维材料中取得高热电优值的报道不断出现。将材料的晶粒细化到纳米级别，可以增加对载流子和声子的散射，从而提高Seebeck系数，降低热导率，最后提高材料的热电性能。. 分别用低温湿化学法和水热法在70 °C和180 °C的温度下合成纳米的Bi2Te3和Sb2Te3颗粒。真空热压烧结不同比例复合的Bi2Te3 / Sb2Te3块体材料，Bi2Te3和Sb2Te3按1：1复合的材料具有相对较高的Seebeck系数和电导率，其ZT值在450 K的时候达到1.47左右。通过Sn掺杂有效提高了材料的电导率，2 % Sn掺杂的试样在500 K左右的时候，ZT值达到最大1.4。. 采用固相反应法合成Bi2-xSbxTe3 (x = 0.1,0.2,0.3,0.4)，热压烧结后测量其低温热电性能。在4 K-300 K的测量温度范围内，样品的塞贝克系数、电阻率和热导率都随着温度的升高而增加。x = 0.4的材料具有相对较低的电阻率和热导率，其ZT值在270 K左右达到了最大值0.6。. 采用固相反应法合成Bi2Te3-xSex(x = 0.3,0.4)系列样品，热压烧结后测量其低温热电性能。在4 K-300 K的测量温度范围内，样品具有较高的电阻率和热导率，以及较低的塞贝克系数，表现出较差的热电性能。样品Bi2Te3-xSex(x = 0.3)的ZT值在175 K左右达到最大值0.048，而Bi2Te3-xSex(x = 0.4)的ZT值在160 K左右达到最大值0.024。