PDF《高压烧结法制备 Bi2 Te3 纳米晶块体热电性能的研究 吴芳 王伟》

同时由于晶片的二维纳米结构, 对电子的传 输存在量子阱效应, 可使费米面附近的电子态密度 提高, 有利于赛贝克系数的提高 [10] . 因此制备具有 六角纳米片结构的Bi2Te3 块材样品, 并研究此种纳 米结构对块材热电性能的影响, 对提高Bi2Te3 块材 的热电性能具有十分重要的意义. 我们通过研究发 现, 水热法制备的 Bi2Te3 纳米线在热压时可以转 化为六角纳米晶片, 而且依据纳米线的直径, 所生 成的纳米片厚度和对角线长度不同, 最薄的可达到 ? 河南省重点科技攻关项目 (批准号: 142102210043) 和河南省教育厅科学技术研究重点项目 (批准号: 14A140017) 资助的课题. ? 通信作者. E-mail: [email protected] ?

2015 中国物理学会 Chinese Physical Society http://wulixb.iphy.ac.cn 047201-1 物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 64, No.

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047201 20 nm 以下, 对角线直径可在

200 nm 以下, 明显优 于用其他方法直接制备的六角纳米片 [11?15] . 但是 在用真空热压法把纳米粉体制备成致密块体时, 由 于高温下晶粒长大, 粉体的原始形貌很难保持, 所 以本文尝试将纳米线粉体进行低温高压烧结, 并与 真空热压样品比较. 高压可以将纳米线压断成薄片 且保证块体致密, 而低温可以减少晶粒的长大, 所 以高压烧结样品相较于真空热压样品应具有较好 的热电性能. 同时作为比较, 纳米颗粒粉体也进行 低温高压烧结和真空热压. 纳米线及纳米颗粒两者 的实验结果均表明, 低温高压烧结样品的电阻率、 赛贝克系数和热导率均优于真空热压样品, 而且纳 米线高压烧结样品的ZT 值在室温时达到了0.5, 优 于纳米颗粒样品.

2 实验方法 纳米粉体制备采用水热合成法. 所有化学药 品均是分析纯等级, 并未进行进一步的纯化. 制 备步骤为:

2 mmol BiCl3,

3 mmol Na2TeO3 (或TeO2), 0.2 g SDBS (或EDTA) 和一些 NaOH 与40 mL 去离子水混合后装入容器中, 用磁力搅拌器 搅拌0.5 h, 然后再放入0.35 g NaBH4. 搅拌均匀后 装入50 mL 的水热反应釜中, 水热釜密封后放进干 燥箱中进行加热反应. 待反应结束后, 自然冷却到 室温, 得到的 Bi2Te3 纳米粉末用去离子水、 酒精和 丙酮洗涤多次后, 在真空干燥箱里干燥6 h. 真空热压法是用真空热压炉在

773 K 的温度、

60 MPa 的压力下将粉体压制

15 min 后成为直径 为15 mm (或12.5 mm)、 厚度为

2 mm 的圆片. 高 压烧结法是将水热法制备的纳米线粉体先冷压 成13 mm 的圆片, 然后在温度为

573 K、压力为

2 GPa 的条件下进行高压压制. 高压设备为桂林 桂冶金工股份有限公司生产的六面顶压机, 型号为 CS-V(H),

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18000 kV. 物相鉴别采用 X 射线衍射仪 (XRD, X'

Pert Pro 型, 荷兰 PANalytical公司, 波长为 1.5406 ? 的Cu-Kα 射线);

利用 XRD Rietveld结构精修计算晶 格参数;

用场发射扫描显微镜 (JSM-6700 F, 日本 JEM 公司) 对粉体的微观形貌进行观察;

15 mm 的 圆片切割后进行赛贝克系数和电导率的测量, 使用 的仪器是 LSR-3/800 赛贝克系数/电导测试仪, 测 试过程中通入氦气;

12.5 mm 的圆片用来进行热导 率的测量, 使用的仪器是美国 ANTER 公司生产的 Flashlinetm

3000 型热物性分析仪. 电导率和赛贝 克系数的测量方向垂直于压制方向 (沿着圆片的直 径方向), 而热导率的测试方向平行于压制方向 (沿 着圆片的厚度方向). 之所以采用这种测试方向是 由于样品尺寸的限制, 但是据相关报道 [16] , 只要样 品中的晶粒是无序排列的, 那么其热电性能也将是 各向同性的.