Bi2Te3低维纳米材料的Na掺杂及电学和热学性能研究

Improving electrical property and decreasing thermal property of Bi2Te3 is a key issue for improving Bi2Te3 thermoelectric property, Bi2Te3-based thermoelectric device and its application. On the basis of unique properties of Bi2Te3 low-dimensional nanomaterials and Na in doping Bi2Te3, in this project, our aim is to prepare high crystal quality Na-doped Bi2Te3 nanomaterials with high electrical conductivity and low thermal conductivity via the solvothermal process. We will investigate the effect of different Na-doped concentration on the microstructure, energy band structure, carrier and phonon, we will reveal the mechanism of the effect of Na-doped concentration on the electrical property and thermal property.The results will offer useful experimental and theory basis for the synthesis of high crystal quality Na-doped Bi2Te3 nanomaterials with high electrical conductivity and low thermal conductivity. In addition, the obtained results can also be useful for the fabrication and applications of Bi2Te3-based thermoelectric devices.

提高Bi2Te3的电导率、降低其热导率对提高Bi2Te3的热电性能以及Bi2Te3基热电器件的研制与应用具有重要的科学意义。本项目基于Bi2Te3低维纳米化和Na在Bi2Te3掺杂中的特殊性能，以获得高电导率和低热导率的Na掺杂Bi2Te3低维纳米材料为目标，提出了溶剂热法制备Na掺杂Bi2Te3纳米材料，研究不同Na掺杂浓度对Bi2Te3纳米材料的微观结构、能带结构、载流子和声子的影响规律，揭示Na掺杂浓度对Bi2Te3电学和热学性能的影响机制，为高质量Na掺杂Bi2Te3纳米材料的制备及性能调控提供实验和理论指导，为基于Na掺杂Bi2Te3纳米材料的高性能热电器件的研制及应用奠定基础。

碲化铋（Bi2Te3）是一种重要的室温热电材料，但较低的热电转换效率已成为阻碍其广泛市场化的最大瓶颈。低维纳米化和元素掺杂可有效调控电导率和热导率，从而显著提高其热电性能。本项目利用溶剂热法在不同的反应条件下制备了Na掺杂热电材料Bi2Te3纳米结构，利用X-射线粉末衍射(XRD)、扫描电镜（SEM）、透射电镜(TEM)等技术手段对样品的组分、形貌、尺寸进行了测试表征，研究表明，温度、时间、反应物浓度等合成条件对Na掺杂Bi2Te3纳米结构的成分、形貌、尺寸和性能有重要影响。利用热压烧结法制备了不同Na掺杂浓度的Bi2Te3块体材料，研究表明，烧结压力、温度、时间等热压烧结工艺对块体质量有很大影响。对不同Na掺杂浓度的Bi2Te3的纳米材料和块体材料进行了拉曼光学性能、电性能和热性能等性能研究，研究表明，与块体材料相比，Na掺杂的Bi2Te3纳米结构的拉曼散射光谱中，红外激活模(A1u)被充分激活且清晰出现在拉曼光谱中，表现出了新颖的拉曼光学性能，由于反对称性的要求，对块体Bi2Te3晶体来说，这个红外激活模是奇宇称且是拉曼禁戒的，这说明我们所制备的纳米结构出现了晶体对称性破损。通过对不同形貌Na掺杂的Bi2Te3纳米结构进行微区拉曼分析，可以通过控制形貌、尺寸等调整Na掺杂的Bi2Te3纳米结构的光学性能，这对Bi2Te3在热电材料领域的实际应用有着重要意义。