n(p)-型掺杂Zn-Sb基纳米线合成及热电性质研究

本项目以Zn-Sb基化合物热电材料为研究对象，在前期合成了beta-Zn4Sb3阵列纳米线的基础上，进一步通过控制掺杂、形貌及结构，得到n(p)-型掺杂Zn-Sb基纳米线及阵列纳米结构。由于纳米结构和杂质引入，大量的晶界，纳米线和晶界对声子的选择性散射显著降低了材料的热导率，从而有可能提高该材料的热电性能。以认识微结构及其对电声输运的作用规律和热电性能优化为目的，围绕纳米热电材料中的电声输运协调关键科学问题。以材料掺杂一维纳米化为主要的材料制备技术，采用高压溶剂热法、磁控溅射法及化学气相沉积法、纳米压印结合热压，放电等离子体烧结及模板等合成多种掺杂n(p)型Zn-Sb基纳米线及阵列纳米结构，用XRD、XPS、Raman及高分辩电镜等分析其形貌、掺杂、填充、结晶性等，结合霍耳、热电输运等测量手段，对其进行深入系统的热电机理研究，获得高热电优值，为环境友好的热电纳米器件奠定基础。

n型和p型一维热电纳米结构材料的合成、结构表征、物理性能分析及器件优化是最近热电纳米器件科学工作者研究的一大热点。该项目主要是对热电半导体ZnSb一维纳米材料的“绿色”控制合成及调控其掺杂浓度进行系统的研究，并对其物理性质，尤其是热电性质进行了初步的讨论。我们紧紧围绕着项目书的计划要求，成功合成了p-型掺杂Zn-Sb 基一维纳米结构材料, 通过材料的一维纳米化和化学掺杂，使其声子热导减少，而电导变化很少或不变，从而得到比较高的热电优值的一维纳米结构材料，包括Beta-Zn4Sb3 纳米梳子和纳米线。不像从前简单一维纳米材料的合成，这里我们不通过模板和催化剂，采用简单的物理气相沉积（PVD）的办法成功制备出多元素化合物半导体Beta-Zn4Sb3 纳米线和化学气相沉积（CVD）的“绿色”合成路线得到了Beta-Zn4Sb3 纳米梳子。其路线均为环境友好且可控掺杂和可控形貌结构，达到主体材料为七元化合物半导体一维纳米结构材料控制生长。同时通过使用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、高分辨透射电子显微镜（HRTEM）、微区电子衍射仪(SAED)、微区元素分析仪(EDS)、X-射线衍射仪(XRD)、X-射线光电子能谱仪（XPS）、激光拉曼光谱仪(Raman)等系统分析了所得样品的尺寸、形貌、成分及结构。通过各种条件的优化， 我们得到的样品Beta-Zn4Sb3的尺寸、形貌、成分及结构均可控制生长，例如我们分别通过PVD和CVD路线得到了直径长达100 nm和长度达6微米的单晶Beta-Zn4Sb3 纳米线和不同直径的单晶Beta-Zn4Sb3 纳米梳子阵列。采用低温多功能物理性质测试仪(PPMS)、激光热导仪、热分析系统仪(DSC, TGA, DTA)及高温电导仪、塞贝克(Seebeck)系数仪等热、电性质测试仪对其产品的热电运输性质进行表征及理论计算分析。通过结构优化、综合热及电性质分析，在中温区，我们分别获得了热电优值高达1.59的Beta-Zn4Sb3 纳米线和1.49的Beta-Zn4Sb3 纳米梳子。这样高热电优值的热电学纳米材料为首次报道。这为我们的进一步科学研究和应用打下了良好的基础。