热电材料是一种能实现电能和热能直接转换的功能材料,能够用于电致冷/热,温差发电,在能源领域具有广泛的应用前景。Bi₂Te₃基化合物是目前室温附近最好的热电材料。Bi₂Se₃常用于Bi₂Te₃的合金化、掺杂和复合,同时在热电和光学领域也有广泛的应用。本文采用低温湿化学和水热方法合成了Bi₂Te₃和Bi₂Se₃纳米粉末,采用XRD、SEM和TEM等手段对合成的粉末进行微观组织结构分析,研究了合成过程中Bi₂Te₃和Bi₂Se₃的化学反应机理,讨论了合成工艺参数对反应过程的影响,分析了纳米粉末的晶体生长过程。本文主要取得了以下研究成果:1.以SeO₂、Na₂TeO₃和Bi（NO₃）₃·5H₂O为原料,在105℃和190℃下分别合成了纯相Bi₂Se₃、Bi₂Te₃纳米粉末。在105℃下能够形成Bi₂Se₃和Bi₂Te₃晶体,颗粒尺寸在40 nm以下,在190℃下Bi₂Se₃反应约4 h出现并形成晶体,反应16 h后产生较完整的六边形晶体,颗粒尺寸从几十纳米增加到几百纳米,反应时间在32 h以上才能有效去除Bi和Bi₂SeO₂杂质。升高温度时Bi₂Se₃晶体会发生明显长大,生成片层状结构,Bi₂Te₃则不会;延长反应时间能够使反应更彻底,有效消除产物中的杂质;最初反应时间对晶体形状和大小有非常明显的影响,后期影响变小。2.在乙二醇体系下合成了具有完整六方片状结构的Bi₂Se₃纳米粉末,乙二醇能够同时作为还原剂、溶剂和分散剂。由于乙二醇还原性较弱,晶体成核得到的能量较少,成核较慢,而反应温度高,时间长,原子扩散得到了足够的能量和时间,因此形成了缺陷较少的完整晶体。3.研究了多种添加剂对Bi₂Se₃、Bi₂Te₃纳米粉末化学合成的影响规律。研究发现溶液中NaOH的含量直接影响各种反应物的氧化还原顺序,同时对Bi₂Se₃的合成反应速率和微观形貌特征具有明显影响。研究结果表明,还原剂NaBH₄的添加量不宜超过反应物的2倍,过多的还原剂会使Se原子被被还原为Se^2-离子,产生Bi/Se,Bi/Te比过大杂质,如Bi₄Se₃、BiTe等。4.在特殊工艺下合成了Bi₂Se₃纳米阵列,阵列整体尺寸约几微米,最大时可以达到20微米。组成阵列的薄片厚度约30nm,相互之间约呈90°角。根据热电理论,纳米级的微结构会产生特殊的纳米效应,短程无序长程有序性的材料具有更好的热电性能,这都使得这种纳米阵列成为值得研究的对象。进一步的研究发现这种结构是Bi₂Se₃以Bi₂SeO₂为基底,在其表面缺陷处成核,并沿着a,b轴方向长大而成,Bi₂Se₃的（0 1 5）面与Bi₂SeO₂的（1 0 1）面形成共格关系。这种以氧化物为自然模板生长有序纳米阵列的方法,不仅对Bi₂Se₃的晶体设计和生长控制有重要的意义,对其它Ⅴ-Ⅵ族化合物半导体材料也具有指导意义,并具有潜在的应用价值。