收藏本站
《武汉理工大学》 2010年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

Bi_2Te_3体系的材料制备、晶体结构及热电性能

王晓琳  
【摘要】:Bi2Te3基半导体合金是目前已知的室温附近性能最佳的热电材料,其块体的热电优值ZT在1左右。已有的研究表明,对Bi2Te3基合金的相组成和微观结构进行合理的优化可以有效提高其热电传输性能。本文采用真空熔炼、溶剂热等方法合成了不同化学组分的微米级和纳米级合金粉末,结合放电等离子烧结、热挤压烧结等手段制备出了块体Bi2Te3基半导体合金,系统研究了其微观结构和热电性能。 采用真空熔炼—高能球磨—放电等离子烧结的方法制备了块体的Bi2Te3基合金,研究了Sb、Se的掺杂量对其热电性能的影响,确定元素的最佳掺量。结果表明,固溶体Bi2(Te1-xSex)3表现出n型半导体特性,x值在0.1-0.15区间时试样具有最佳的热电性能,其热电优值ZT为0.62;固溶体(BixSb1-x)2Te3随x值的增大其半导体的p/n特性会发生变化,当x值在0.2左右时试样表现为p型半导体特性,其最大的热电优值ZT为0.91。 采用水热法合成出了Bi2Te3纳米合金粉末,研究了不同的反应条件对产物组成、结构的影响。X射线衍射和SEM分析的结果表明,反应温度和反应时间对产物有重要影响,高的反应温度和较长的反应时间有利于反应的完全进行,但不利于获得粒径细小的产物。在反应温度为120℃,反应时间为20h时,合成出单相的Bi2Te3,其颗粒尺寸在100-500nm范围内。以水热法合成出了三元化合物Bi2(Te1-xSex)3和(BixSb1-x)2Te3,通过对产物的物相分析发现,水热合成的化合物主要是结构相同、晶格常数存在差异的两相合金粉末,化合物为层片状六面体结构,其颗粒粒径在几百个纳米左右,厚度在几十个纳米范围内。 将真空熔炼—球磨得到的微米级粉末和水热合成得到的纳米级粉末按不同比例均匀混合,采用放电等离子烧结的方法制备成设计组分为Bi2(Te0.90Se0.10)3和(Bi0.2Sbo.8)2Te3的块体试样,研究了纳米粉末含量对化合物结构和热电传输性能的影响规律。结果表明,纳米粉末的含量变化显著影响了Bi2Te3基材料的微观结构和热电性能。试样的微观结构为层片状,在尺寸较大的晶粒层中穿插着一些细小的晶粒,试样具有较高的致密度。对于Bi2(Teo.90Seo.10)3试样,试样表现为n型半导体特性,纳米粉末掺加量为12%时,其热电性能达到最佳为0.74。对于(Bi0.2Sb0.8)2Te3试样,材料表现为p型半导体特性,试样在纳米粉末掺杂量为9%时,ZT值达到最佳为1.22。 Bi2Te3基合金的微观结构中晶粒排布具有一定的取向性,合金表现出热电性能各向异性的特点,所以单晶体的热电性能一般优于多晶体,但其力学性能很差限制了它的应用。提高多晶体的晶粒排布取向程度可以在提高材料力学性能的同时获得类似单晶体的高热电性能。采用粉体热挤压的方式制备了多晶n型Bi2Te3基块体材料,根据X射线衍射结果计算其取向因子最高可达0.49。与区熔的单晶块体相比,热挤压样品的机械性能有了大幅度的提高,其抗折强度为58MPa,是区熔试样的4倍。通过对挤压模具的改进和挤压工艺的优化,显著减小了热挤压试样中由于结构梯度造成的热电性能不均匀的现象。热挤压温度对于试样的热电性能具有较大的影响,过低和过高的温度都会造成固溶体中元素的偏析,在400℃时制备的试样为单相且性能最好,其垂直压力方向上的热电优值ZT为0.75。 本文研究了复合粉末放电等离子烧结试样和热挤压烧结试样的各向异性特点,通过对取向因子的计算定量考察了样品的各向异性特点,结果表明,纳米相的加入会降低材料的晶粒取向程度,且随纳米相含量的增加这种现象随之增强;热挤压试样的晶粒取向程度随挤压温度的降低而提高。对热挤压试样垂直和平行于压力方向上的电性能进行了测试,结果表明,试样垂直于压力方向上的电导率约是平行于压力方向上的电导率的2.4倍,试样的Seebeck系数随测试方向的变化不明显。
【学位授予单位】:武汉理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TB34

手机知网App
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 段兴凯;于福义;江跃珍;胡孔刚;杨君友;;Bi_2Te_3基热电薄膜材料的制备方法研究[J];材料导报;2008年S3期
2 南军,赵淑金,邓元,林元华,南策文;Ca_3Co_4O_9陶瓷的制备和热电性能[J];硅酸盐学报;2003年02期
3 李健;严军;邓元;;Ca_3Co_4O_9陶瓷的合成及热电性能[J];西北师范大学学报(自然科学版);2008年05期
4 曾令可;刘涛;漆小玲;;Ca_3Co_2O_6氧化物热电材料的研究现状与进展[J];材料导报;2008年10期
5 张联盟,沈强,李俊国,王国梅,涂溶,陈立东,平井敏雄;Sn离子注入PbTe的热电性能和结构[J];物理学报;1999年12期
6 张久兴,张隆,路清梅,刘科高,刘丹敏,周美玲,左铁镛;N型La_(0.9)Ni_xCo_(4-x)Sb_(12)化合物的制备及热电性能研究[J];功能材料与器件学报;2004年01期
7 刘晓虎,赵新兵,倪华良,陈海燕;快速凝固和热压高锰硅的微观结构和热电性能[J];功能材料与器件学报;2004年02期
8 邢学玲;闵新民;张文芹;;钴酸盐类氧化物热电材料的研究进展[J];材料导报;2006年02期
9 许高杰;李亚丽;蒋俊;段雷;李志祥;王琴;李勇;崔平;;Fe掺杂对Bi_2Sr_2Co_2O_y热电性能和自旋关联的影响[J];稀有金属材料与工程;2007年S2期
10 李珺杰;唐新峰;;不同质子酸掺杂聚苯胺的热电性能[J];材料科学与工程学报;2010年02期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 周燕飞;李小亚;陈立东;;在微重力条件下生长n-型Bi_2Te_3基晶体的低温热电性能的研究[A];中国空间科学学会空间材料专业委员会2011学术交流会论文集[C];2011年
2 闵新民;朱磊;邢学玲;;Bi_2Te_3与SnBi_2Te_4的电子结构与热电性能研究[A];第五届中国功能材料及其应用学术会议论文集Ⅲ[C];2004年
3 刘果;路清梅;张忻;张久兴;;高锰硅材料的原位反应合成及热电性能[A];2011中国材料研讨会论文摘要集[C];2011年
4 徐桂英;;具有量子效应的多空硅片的热电性能[A];2004年中国材料研讨会论文摘要集[C];2004年
5 邓乐;马红安;宿太超;郑世钊;郭鑫;贾晓鹏;;不同压力下合成的Co4Sb12-xTex的热电性能研究[A];2011中国材料研讨会论文摘要集[C];2011年
6 樊文浩;;Y掺杂的Mg_2Si热电性能的实验与理论研究[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集(第7分册)[C];2010年
7 蒋俊;李亚丽;许高杰;崔平;陈立东;王刚;;N型Bi_2(Te_(1-x),Se_x)_3区熔晶体的热电性能[A];第14届全国晶体生长与材料学术会议论文集[C];2006年
8 闵新民;邢学玲;朱磊;;Mg_2Si与掺杂系列的电子结构与热电性能研究[A];第五届中国功能材料及其应用学术会议论文集Ⅲ[C];2004年
9 刘雅言;彭国梁;王给祥;王宏宇;高虹;李绍忠;盛桂云;;辐照PVDF的ESR研究[A];第八届全国波谱学学术会议论文摘要集[C];1994年
10 孙毅;王春雷;苏文斌;;烧结温度对La0.1Sr0.9TiO3陶瓷热电性能的影响[A];2011中国材料研讨会论文摘要集[C];2011年
中国重要报纸全文数据库 前6条
1 郝钢;我国科学家合成世界首例单晶碲化物纳米带[N];中国有色金属报;2007年
2 柏林记者 张兆军;我合成首例单晶碲化物纳米带[N];科技日报;2007年
3 柏林兆军;我科学家合成世界首例单晶碲化物纳米带[N];科技日报;2007年
4 汪海;华东师大取得热电材料研究新进展[N];上海科技报;2009年
5 常丽君;半赫斯勒热电材料性能显著提高[N];科技日报;2011年
6 记者 刘霞;掺杂稀土让热电材料转换率提高25%[N];科技日报;2011年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 王晓琳;Bi_2Te_3体系的材料制备、晶体结构及热电性能[D];武汉理工大学;2010年
2 肖承京;多尺度Bi_2Te_3系热电材料的制备及性能优化研究[D];华中科技大学;2010年
3 安继明;Bi_2Te_3系、Ca_3Co_2O_6系热电材料的电子结构计算与热电陶瓷制备[D];武汉理工大学;2004年
4 于凤荣;Bi_2Te_3纳米晶块体材料的制备及结构和热电性能研究[D];燕山大学;2012年
5 裘武军;电化学沉积法制备薄膜Bi_2Te_3基热电材料[D];浙江大学;2011年
6 周丽娜;Bi_2Te_3及Bi_2Te_3/碳纳米管的化学法制备和热电性能研究[D];浙江大学;2010年
7 王善禹;应用于400-650K热电发电的p型和n型材料的制备及热电性能[D];武汉理工大学;2012年
8 倪华良;Bi_2Te_3基纳米复合热电材料的合成与性能[D];浙江大学;2007年
9 童宇;Bi_2Te_3热电材料力学性能的分子动力学研究[D];武汉理工大学;2010年
10 柳伟;掺杂结合能带结构调控优化n型Mg_2Si_(1-x)Sn_x基材料热电性能的研究[D];武汉理工大学;2012年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 赵晴;Bi_2Te_3及其与聚苯胺复合材料的制备及热电性能研究[D];南京航空航天大学;2010年
2 王晓琳;高性能Bi_2Te_3基热电合金制备与性能研究[D];武汉理工大学;2006年
3 王善禹;n型Bi_2Te_3基材料的制备、微结构及其热电性能研究[D];武汉理工大学;2010年
4 王娟;Bi_2Se_3基热电化合物的化学法制备及热电性能研究[D];武汉理工大学;2010年
5 陈升礼;Ca_3Co_2O_6热电材料的合成,结构和性能研究[D];武汉理工大学;2002年
6 谭刚健;Ni取代铁基p型填充方钴矿的制备与热电性能研究[D];武汉理工大学;2011年
7 郭全胜;p型填充式方钴矿/GaSb纳米复合材料的制备及热电性能研究[D];武汉理工大学;2011年
8 宋波;p型填充式纳米方钴矿化合物的制备及热电性能的研究[D];武汉理工大学;2005年
9 贾坤;掺杂Sm~(3+)和Sr~(2+)的CaMnO_3的制备及热电性能研究[D];长春理工大学;2010年
10 张文浩;AgSbTe_2化合物的机械合金化制备与热电性能研究[D];武汉理工大学;2010年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026