Bi2Te3-Sb2Te3赝二元体系的相关系、纳米微结构及物性研究

理论预测和实验研究都表明尺寸纳米化能够显著提高热电材料的热电性能，从而低维纳米结构成为当前热电材料发展的主流趋势。本项目以块材热电性能优异的Bi2Te3-Sb2Te3赝二元体系为研究对象，开展该体系的相关系、纳米结构合成、生长机制和热电性能研究。通过生长条件控制和微结构分析，揭示相关纳米材料，特别是一维和准一维纳米结构的生长机制。研究纳米材料的电输运和热传导性质，阐明纳米材料的组分、微观结构、尺寸和形貌对热电性能的影响。制备相关固溶体的纳米结构，利用"合金化效应"或引入晶格缺陷，增加声子散射中心，进一步降低晶格热导率，从而提高材料的热电性能。本项目面向先进绿色能源材料，探索热电性能优异的低维纳米结构，是一项具有重要意义的应用基础研究工作。

Bi2Te3/Sb2Te3是室温附近热电性能最好的材料，因此其热电性能优化兼具重要的科学研究和实际应用意义。近年来的理论和实验研究已经表明纳米化是提高热电优值的有效手段，从而Bi2Te3/Sb2Te3纳米结构，特别是一维纳米结构的制备和表征引起了广泛关注。然而Bi2Te3/Sb2Te3具有较特殊的各向异性晶体结构——属于层状结构且存在靠范德瓦尔斯力连接的相邻Te原子层，导致它们择优生长成六方盘状纳米结构。本项目在国家自然科学基金的资助下，着重针对Bi2Te3/Sb2Te3一维纳米结构难以制备的关键问题，系统深入地开展了一维纳米结构的晶体生长设计、制备和生长机理等方面的研究，成功制备了纳米棒、纳米管、纳米串和三翼纳米带等一系列一维或准一维Bi2Te3/Sb2Te3纳米结构，并对一维纳米结构的器件制备和热电性能表征进行了初步研究。.我们从晶体工程学角度提出利用模板法限制Bi2Te3/Sb2Te3的各向异性生长。基于三方结构Te和菱方Bi2Te3/Sb2Te3的晶体结构之间的关联，设计以Te单质为中间产物和晶体结构模板，通过扩散反应制备Bi2Te3/Sb2Te3一维纳米结构。实验上，我们借助简单的水溶液还原反应，首先制备了纳米管、纳米棒，超细纳米线、纳米带和三翼纳米带等各种一维Te纳米结构。通过调节模板反应条件，成功地合成了继承原模板形貌的Sb2Te3纳米棒、在模板外表面外延生长的Sb2Te3纳米串、以及借助非平衡扩散Kirkendall效应得到的Bi2Te3纳米管。以Te三翼纳米带为自消耗模板，首次制备了具有三次对称形状和准周期粗糙界面的Bi2Te3三翼纳米带人工结构，并实现了对表面和界面的双重调控。Bi2Te3三翼纳米带特殊的表面和界面来源于Te三翼纳米带{100}外表面对Bi离子扩散的诱导作用和Bi2Te3晶体沿纳米带的共格生长关系。Bi2Te3三翼纳米带具有粗糙的表面、共格生长界面以及很薄的翼状结构，能够显著增强声子散射，从而提高热电性能。