铋基合金超晶格纳米线阵列的可控外延生长和热电性能研究

采用实时电量控制的脉冲电沉积技术，在氧化铝膜板中外延生长铋基合金超晶格纳米线阵列，实现超晶格纳米线单元尺寸，成份和界面结构的精确控制，构筑超晶格纳米线热电器件；研究超晶格纳米线和热电器件的电输运和热电性能，探讨热电性能与超晶格的单元尺寸、成份和界面结构之间的关系，揭示其内在规律；基于有效质量包络函数理论、各向同性连续介质的弹性理论和玻尔兹曼输运理论，计算铋锑超晶格纳米线的能带结构、电子态密度、电输运和热电性能，优化超晶格纳米线热电材料的设计，并指导实验研究，为获得高性能铋基合金超晶格纳米线热电材料奠定一定的基础。超晶格纳米线具有更高的热电性能优值，是纳米材料科学研究的热点。发展超晶格纳米线热电材料的可控外延生长技术，深入理解超晶格纳米线的单元尺寸、成份和界面结构与超晶格纳米线电输运和热电性能之间的关联，对于进一步优化超晶格纳米线的热电性能，不仅具有重要的科学意义，而且具有重要的应用价值。

热电材料是一种能够将热能转换成电能和能用电能加热或者制冷的功能材料，在面临未来的能源危机中扮演着越来越重要的角色。在低温到室温区域应用上，铋基合金如BiSb, Bi2Te3 和BiSbTe通常是最佳选择。在众多纳米结构中，纳米线和超晶格纳米线吸引了科研工作者的广泛关注，因为理论预言这些纳米结构材料具有很大的ZT值。.本项目发展了三种测试技术：单根纳米线热导率测试方法—3ω法，热电性能的Harman测试方法和纳米线阵列热电器件制冷和加热能力的测试方法。.采用电沉积技术，制备出具有高度取向的单晶Bi1-xSbx合金纳米线阵列，发现直径为45 nm的Bi1-xSbx合金纳米线呈现半导体特性，且Sb掺杂进入Bi能有效地提高Seebeck系数。Bi1-xSbx合金纳米线的熔点与纳米线的直径和组分密切相关。.采用脉冲电沉积方法制备出不同直径的具有高度择优取向的Bi0.5Sb1.5Te3单晶纳米线，发现Bi0.5Sb1.5Te3单晶纳米线的电阻随着温度的升高而降低。采用自加热的3ω方法测量了Bi0.5Sb1.5Te3单晶纳米线的热导率，发现Bi0.5Sb1.5Te3单晶纳米线的热导率首先随着温度的升高而升高，达到某一峰值后，热导率随温度的升高而降低，且倒逆散射峰随着纳米线直径的减小向高温区移动，与我们采用Callaway模型理论计算结果相符合。通过直流电沉积和脉冲电沉积制备了Bi-Sb-Te三元合金热电纳米线，发现在接近化学计量比的Bi0.5Sb1.5Te3纳米线中Seebeck系数最高。与直流电沉积制备的Bi0.5Sb1.5Te3纳米线相比较，脉冲电沉积得到的Bi0.5Sb1.5Te3纳米线不仅具有更均一的纳米线生长前沿和更高的结晶度，而且具有更加优越的热电性质。脉冲电沉积得到的Bi0.5Sb1.5Te3纳米线的ZT值在330 K时可达1.14。.通过脉冲电沉积，外延生长出小单元长度的Bi2Te3/Sb超晶格纳米线。通过Harman方法测量了超晶格纳米线阵列的热电性能，330 K时的ZT值可达0.15。另外，研究了Bi2Te3/Sb超晶格纳米线阵列器件的制冷或者加热能力，发现器件的上下表面的最大温差ΔT可以达到6.6 K。选择合适的Bi-Sb-Te三元电解液，借助多电势沉积获得Bi2Te3/Bi2-xSbxTe3类超晶格多层膜，实现了多层膜厚度和单层厚度的可控调制。