Bi2Te3纳米片的溶剂热合成及掺杂研究

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热电材料是一种重要的功能材料,它可以将电能与热能相互转换,用其制造的热电器件具有节约能源、对环境无污染、稳定性良好及使用寿命长等诸多优点,因此日益受到重视。Bi2Te3系热电材料是目前在室温附近性能最好的热电材料之一,但传统Bi2Te3系热电材料的热电性能并不理想,最高无量纲热电优值ZT在1左右,还达不到应用的理想值3。近年来,相关理论和实践研究均表明,将热电材料低维纳米化可显著提高其热电性能。溶剂热法是近年来新起的一种合成纳米材料的方法,合成温度低、反应时间短、产物纯度高、晶粒尺寸小,是合成纳米材料良好的方法之一。本文中即采用该方法制备出了单相的Bi2Te3纳米片,主要研究内容有:(1)选用乙二醇为溶剂,添加适量聚乙烯吡咯烷酮(PVPK-30),在碱性环境和200℃的条件下反应260min成功制备了单相的Bi2Te3六角形纳米片。用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、光致发光谱(PL)和紫外-可见吸收光谱(U-VAS)对样品的结构、形貌和光学性质进行了表征。(2)系统研究了合成温度、反应时间、表面活性剂类型等工艺参数对样品相组成和微观形貌的影响,对体系的反应过程和样品的生长机理进行了分析,认为本实验生成Bi2Te3的反应主要以原子反应为主,Bi2Te3由于本身结构的特点,晶核的生长主要沿垂直于c轴的方向进行,易形成薄片状结构,在PVPK-30表面活性剂的作用下最终能够形成尺寸均匀的六角形片状结构。(3)尝试将材料低维纳米化的同时进行掺杂合金化,在成功制备单相Bi2Te3纳米片的基础上选择La、Y和Ce元素进行掺杂。用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)对样品的结构和形貌进行了研究,结果表明原工艺条件无法成功掺入Y,而La的掺杂使样品中出现了部分屑状物质,物质具体成分待后续深入研究。将反应时间提高到280min可以成功掺入少量的Ce元素,对掺Ce的样品进行了结构和形貌表征。
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