收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

纳米结构Bi_2Te_3基热电材料的合成与性能

吉晓华  
【摘要】:热电材料是一种能够实现热能和电能直接相互转换的半导体功能材料,在温差发电 和热电制冷等领域具有重要的应用价值和广泛的应用前景。Bi2Te3基化合物的最高无量 纲热电优值ZT接近于1,是目前室温附近应用的最好的热电材料。纳米热电材料由于 其热导率的降低比电导率的降低更为显著,材料的热电优值会显著提高。 本文采用溶剂热、水热以及低温湿化学等新颖合成方法来制备Bi2Te3基纳米粉末, 合成出了不同形态的空心壳状Bi2Te3纳米结构包括Bi2Te3纳米管和纳米微囊等,并制备 了含稀土元素的Bi2Te3基(RE-Bi2Te3) 合金纳米粉。应用XRD、SEM和TEM等对合成的 纳米粉末进行了结构和形态分析,实验研究和具体讨论了Bi2Te3水热合成过程中的化学 反应机理和形核长大机制。真空热压制备了块体热电材料和块体纳米复合热电材料,并 测量了热压试样的热电性能。 本文工作最重要的结果是合成了Bi2Te3纳米管和纳米微囊,这是首次见诸报道的 Bi2Te3空心壳状纳米结构。于150℃水热合成的Bi2Te3纳米管直径25-100 nm,长度达 到几个微米。观察发现该纳米管的管壁是螺旋上翘的,管壁上Bi2Te3晶格的(003) 晶面 与管轴向约呈一个20°的夹角。由低温湿化学法合成出的不规则空心纳米微囊尺寸约为 10-50 nm。 本文工作的第二个重要结果是提出并制备出了具有高热电优值的先进Bi2Te3基纳米 复合热电材料。本文首次提出了“同质纳米复合”的概念,即以商业生产的Bi2Te3基合 金作为基体,添加少量Bi2Te3纳米管,通过热压制备块状同质纳米复合热电材料。研究 结果表明,同质纳米复合热电材料可以在保持电学性能的情况下明显降低热导率。实验 测量的同质纳米复合试样的热导率最低仅为0. 8 W·m-1·K-1左右,最高无量纲热电优值 ZT在420K温度时达到1. 25。这是所报道的块体Bi2Te3基热电材料的最高ZT值之一。 以稀土氯化物或氧化物为稀土元素前驱体,溶剂热合成了含稀土元素的RE-Bi2Te3 纳米粉。粉末主要为粒径在30 nm以下的不规则多面体颗粒。溶剂热合成/热压烧结所 得的单相RE-Bi2Te3基合金具有与二元Bi2Te3相同的晶格类型和相似的晶格参数,表明 稀土元素已经固溶在Bi2Te3晶体中。本文所制备的RE-Bi2Te3试样均为n型,说明稀土 元素在掺杂半导体中为施主元素。热导率测量显示在Bi2Te3中合金化稀土元素能够降低 Bi2Te3基化合物的热导率。本系列实验获得的最大热电优值为试样Ce-Bi2Te3在450K时 获得的ZT≈0. 22。 分别以乙二胺(en)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、吡啶、丙酮、无水乙醇和去离子 水为反应介质,溶剂热合成了Bi2Te3纳米粉。讨论了溶剂的化学物理性质对所合成纳米 浙江大学博士学位论文 纳米结构BiZTe3基热电材料的合成与性能 粉的形成和形态的影响。实验结果显示,去离子水由于具有较高的介电常数、表面张力 和小的分子尺寸而成为合成单相BiZTe:的最佳溶剂。 研究了1加“C一250oC范围内水热合成温度对所合成的BiZTe3纳米颗粒尺寸的影响。 结果表明,多面体颗粒的粒径由于晶粒粗化随着合成温度的升高而增大,而产物中的纳 米棒或纳米带的尺寸则随着温度升高无明显长大,这被认为是与前驱体Te块上的碎片 解理崩裂有关。 对BiZTe3水热合成的反应机理进行了研究。碱性添加剂NaOH在反应中起着较为重 要的作用,Te粉在含有还原剂的强碱性溶液里会溶解并形成一种多磅化物的胶体。在结 合成BiZTe3的反应中,认为既有Bi原子和Te原子之间的结合也有Bi3+和TeZ一离子之间 的反应。 通过精心设计的实验研究了在水热合成中BiZTe3纳米晶的形核和长大机制。针对不 同的合成条件,提出了“分子长大型”、“连续形核型”和“晶核饱和型”等BiZTe:纳米 晶的形核模型。BiZTe3晶体由于其晶格的各向异性特点,在溶液中易于沿晶格基面侧向 生长,并存在“表面形核型侧向生长”、“螺旋型侧向生长”和“孪晶型侧向生长”等多 种生长方式。文章还根据所提出的形核和长大机制对不同形态的BiZTe3纳米颗粒的形成 进行了探讨。 关键词:热电材料;BiZTe3;纳米管;纳米微囊;纳米结构;形核长大机制; 同质纳米复合;溶剂热合成;水热合成;低温湿化学合成;热压; 热电性能;热电优值;‘稀土


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 张艳华;赵新兵;朱铁军;;纳米La_xBi_(2-x)Se_yTe_(3-y)粉末的水热合成[J];中国稀土学报;2006年01期
2 李洪林,苟立,冉均国;纳米Bi_2Te_3基热电材料最新研究进展[J];现代技术陶瓷;2005年02期
3 朱文,杨君友,崔昆,张同俊;热电材料在发电和制冷方面的应用前景及研究进展[J];材料科学与工程;2002年04期
4 朱铁军,赵新兵;β-FeSi_2热电材料的性能优化及测试方法[J];材料科学与工程;1999年04期
5 胡淑红,赵新兵,朱铁军;机械合金化法制备的Mn_(15)Bi_(34)Te_(51)和La_(15)Bi_(34)Te_(51)热电材料[J];稀有金属材料与工程;2002年04期
6 张晖;杨君友;张建生;吴进;陈辉;;热电材料研究的最新进展[J];材料导报;2011年05期
7 赵新兵;曹一琦;朱铁军;;纳米结构Bi_2Te_3基热电材料的溶剂热合成[J];材料研究学报;2006年04期
8 周洋;王广胜;贾艳春;李健;邓元;;Bi_2Te_3片式阵列的制备及生成机理[J];稀有金属材料与工程;2007年S2期
9 张忠模;;日本以电解水的方式用绝缘体成功制备出热电材料[J];功能材料信息;2010年Z1期
10 安百俊;汪元元;杜永;蔡克峰;;表面活性剂对水热合成Bi_2Te_3纳米结构形貌的影响[J];材料导报;2010年S2期
11 赵新兵,朱铁军,李伟文,邬震泰;含稀土硅化铁热电材料的电学性能初探[J];稀有金属材料与工程;2003年05期
12 李伟文,赵新兵,朱铁军,曹高劭;Fe-Co-Si-Cu热电材料的输运特性(英文)[J];稀有金属材料与工程;2003年08期
13 吴炳尧;梅本富;;Fe_(33)Si_(67)热电材料机械合金化的相变特点[J];东南大学学报(自然科学版);1993年S1期
14 ;填充方钴矿热电材料的研究进展[J];科学通报;2011年19期
15 ;热电材料掺杂1%稀土转移率提高25%[J];化学与生物工程;2011年03期
16 闵新民,安继明,南策文;稀土—铱—锑合金热电材料的结构与量子化学计算研究[J];计算物理;2000年Z1期
17 姜洪义,张联盟;Mg-Si基热电化合物的研究现状[J];材料导报;2002年03期
18 陈学枝,沈静琴,赵松睿,许祝安;Na_xCoO_2晶体的制备、结构和物性[J];低温物理学报;2004年03期
19 刘旭,张久兴,张艳峰,路清梅;放电等离子烧结制备Ca_2Co_2O_5热电材料及其性能研究[J];功能材料;2004年06期
20 胡建民,吕强,荣剑英,信江波,王月媛;赝三元热电材料的机械合金化冷压烧结法制备[J];哈尔滨师范大学自然科学学报;2005年03期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 赵新兵;张艳华;朱铁军;;稀土元素置换型Bi_2Te_3基纳米结构热电材料的结构与性能[A];2005年中国固体科学与新材料学术研讨会专辑[C];2005年
2 刘刚;赵江;;纳米结构化三相接触线的新效应[A];中国化学会第二十五届学术年会论文摘要集(上册)[C];2006年
3 江雷;;仿生智能多尺度界面材料[A];中国化学会第28届学术年会第4分会场摘要集[C];2012年
4 赵新兵;卢波辉;倪华良;吉晓华;;纳米结构热电材料及其在温差电池上的应用[A];海峡两岸第二届工程材料研讨会论文集[C];2004年
5 王菲;梁金生;汤庆国;;海泡石环境矿物材料的纳米结构及应用[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
6 李素梅;刘文彬;李常亮;;纳米结构二氧化锰的合成及其对持久性有机污染物热降解的研究[A];持久性有机污染物论坛2011暨第六届持久性有机污染物全国学术研讨会论文集[C];2011年
7 杨建辉;王海水;张洪杰;逯乐慧;施伟东;;贵金属(Au、Pt、Pd)空心纳米结构的研究[A];中国化学会第十届胶体与界面化学会议论文摘要集[C];2004年
8 杨策;曾瑶;吴佳佳;侯仰龙;;Fe_3O_4各向异性纳米结构的控制合成及其相关性质[A];2011中国材料研讨会论文摘要集[C];2011年
9 黄逸凡;朱红平;赵刘斌;吴德印;任斌;田中群;;金、银纳米结构上的对巯基苯胺的表面增强拉曼光谱研究[A];第十六届全国光散射学术会议论文摘要集[C];2011年
10 刘晓珍;付道贵;王美玲;简敏;;热电静态转换器的应用现状及发展趋势[A];中国核科学技术进展报告——中国核学会2009年学术年会论文集(第一卷·第2册)[C];2009年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 吉晓华;纳米结构Bi_2Te_3基热电材料的合成与性能[D];浙江大学;2005年
2 杨胜辉;GeTe-AgSbTe_2基热电材料的纳米结构与性能优化[D];浙江大学;2011年
3 王君礼;金属磷化物纳米结构的设计合成与形成机理[D];中国科学技术大学;2010年
4 蒋蓉蓉;纳米结构二氧化锰的制备及其作为电化学电容器电极材料的研究[D];复旦大学;2010年
5 李强;ZnO、MnO_2、氧化硅纳米结构的合成及其物理化学性能研究[D];合肥工业大学;2011年
6 杨海峰;片状介孔材料的制备及其在纳米结构模板合成中的应用[D];复旦大学;2004年
7 万青;零维Ge和一维ZnO纳米结构与器件[D];中国科学院研究生院(上海微系统与信息技术研究所);2004年
8 霍子扬;过渡金属氧化物纳米结构的调控合成、组装及其性能研究[D];清华大学;2009年
9 郑先锋;镍基磷化物新型纳米结构的合成、组装和磁性质[D];华中科技大学;2010年
10 薛鹏冲;手性小分子有机凝胶剂的合成、组装及其模板构筑无机纳米结构[D];吉林大学;2005年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 王丽七;稀土掺杂Mg_2Si基热电材料的快速合成及其性能分析[D];太原理工大学;2010年
2 李燕;稀土掺杂的钙钴氧系热电转换材料的研究[D];山东理工大学;2010年
3 周华;非平衡结构填充方钴矿基热电材料的制备和热电性能[D];武汉理工大学;2011年
4 南军;Ca_3Co_4O_9基材料的合成,结构和热电性能研究[D];武汉理工大学;2002年
5 李明亮;碳化硅基热电材料的制备及性能研究[D];郑州大学;2010年
6 龙海山;P型Mg-Si基热电材料的合成与性质研究[D];武汉理工大学;2004年
7 芦玉峰;快速凝固β-FeSi_2基热电材料的研究[D];浙江大学;2003年
8 李伟文;β-FeSi_2基热电材料电学性能研究[D];浙江大学;2002年
9 林锋;ZrO_2/Y_2O_3纳米结构粉末及热障涂层的研制[D];中南大学;2004年
10 陶鹏;纳米结构MgZnO的制备和表征[D];兰州大学;2010年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 周清春;第四次科技浪潮由纳米开始[N];中国矿业报;2005年
2 记者 戴恩国 高显洲 通讯员 丁义浩;纳米结构合金钢在东大成功问世[N];中国冶金报;2006年
3 记者 刘霞;英研制新一代纳米化学反应器[N];科技日报;2008年
4 任红轩;纳米热电材料获重大突破[N];中国矿业报;2004年
5 任红轩 记者 束洪福;我科学家在纳米热电材料上获重大突破[N];科技日报;2004年
6 章迪思;上海“纳米军团”领衔三大国家项目[N];解放日报;2007年
7 记者 王彬;张万喜:科研要有市场观[N];协商新报;2007年
8 王立;纳米信息技术市场前景广阔[N];中国知识产权报;2008年
9 本报记者 操秀英;进军多学科前沿交叉新领域[N];科技日报;2010年
10 冯卫东;有热的地方就能有电[N];科技日报;2008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
  • 010-62982499
  • 010-62783978