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碲及其化合物的合成、表征和热电性能研究

吴小平  
【摘要】:热电材料是一种利用固体内部载流子的运动实现热能和电能之间直接转换的功能材料,在能源、环境等领域具有广泛的应用前景,被认为是将来非常有竞争力的能源替代物质。但是商业化的热电材料热电优值比较低,制约了热电器件的应用,因此,想办法提高材料的热电优值迫在眉睫。众所周知,热电材料纳米化能够使热导率比电导率降低得更加明显,从而能够显著提高材料的热电优值,而热电材料形貌的改变对热电性能也有重要的影响,况且在各种热电材料中,Te及其化合物在热电领域研究较早、发展较成熟,因此,本文以Te及其化合物为研究对象,通过对Te及其化合物的控制生长,成功合成了多种形貌的样品,并对其生长机理及热电性能进行了系统的研究。主要研究结果如下: 1.我们运用一种简单的溶剂热法通过改变反应参数(传统的路易斯酸/碱)成功合成了多种形貌的Te纳微米结构产物。产物的形貌有一维的纳米线及纳米棒和二维的分层的花状结构。因为路易斯酸/碱在水解的过程中形成了H~+/OH-和相应的水合物,所以我们认为H~+/OH-在产物的形成过程中起调节PH值的作用,而水合物起到了形貌的控制作用。通过热压法把合成的Te纳米线压成块体结构,并在275~675K的温度范围内对其热电参数进行了测试表征。结果表明,我们合成的Te纳米线的塞贝克系数非常大,其值高达80mVK-1,比目前较好的热电材料Bi_2Te_3的塞贝克系数高两个数量级。合成的Te纳米线有这么高的塞贝克系数,我们把原因归结为以下:(1)合成的Te纳米线表面被氧化,形成了TeO_2纳米晶,从而产生了量子局限效应;(2) Te纳米线费米能级附件的局部态密度增大。 2.在上述研究成果的基础上,我们控制合成了多种不同形貌(包括花状、球花状、巢状和片状结构)的Te颗粒。通过系统的调节反应参数(如氢氧化钠的加入量、乙二醇与乙二胺的体积比、PVP的加入量和反应时间),发现这些结构是由纳米棒和纳米片的自组装而成。结果表明,通过调节反应参数能够容易的控制这些不同形貌的Te微米结构,而且氢氧化钠对产物的最后形貌起着重要的作用。提出了层状Te微米结构的形貌控制和生长机理,并对其进行了讨论。 3.我们利用简单、有效和可再生而没有使用任何模板的溶剂热法成功合成了单分散的ZnTe微球。同时,研究了影响产物形貌的各种因素(如锌源和反应时间),并初步推测了其生长机理。


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