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热电材料作为一种能将热能与电能直接相互转化的功能材料,在固态发电和制冷方面的应用受到了广泛地关注。在过去的20年中,“纳米化”方法和“声子玻璃-电子晶体”概念的运用使得热电材料的性能获得了显著的提高。如今,通过全尺度结构降低热导率的同时也通过能带结构的调节来优化电学性能,即“协调机制”,具有进一步提高热电性能的潜力。然而,热电材料的能源转化效率比较低,无法与传统的发电和制冷技术相竞争,这也限制了其广泛地应用。因此,提高材料的热电性能仍然是目前研究的主要目标。本文选取室温附近具有良好热电性能的Sb2Te3为研究对象,采用简单、经济的溶液法制备出了不同形貌的Sb2Te3纳米粒子,对反应的机理进行了深入的研究,并通过掺杂和晶界势垒或浓度的调节实现了对相应块体材料的电学或热学性质的优化,提高了热电性能。主要取得以下成果: (1)运用Te纳米线为模板,首次在乙二醇中通过扩散反应机制获得了线状的Sb2Te3纳米粒子。TEM测试结果显示:Sb2Te3纳米线为多晶形态,由许多个Sb2Te3纳米小颗粒链接而成。通过Sn掺杂,Sb2Te3纳米线的直径略有减小,表面平整度也有所改善。另外,Sn掺杂在Sb2Te3晶格中形成了新的缺陷中心(SnSb'+h·),提高了重带对电学性能的贡献,在明显增加载流子浓度的同时仍保持了较高的赛贝克系数,从而使得电学性能得到优化,同时这一缺陷的形成也增强了对声子的散射,降低了晶格热导率,最终在Sn0.02Sb2Te3.02块体样品获得了较高的ZT值,150℃时达到了0.58。 (2)我们运用简单、经济的回流法在碱性水溶液中成功制备出了多晶的Sb2Te3纳米片。离子型的反应机理和层状晶体结构特点决定了Sb2Te3纳米颗粒的片状形貌,而产物的纯度与反应体系的pH值与还原剂的用量密切相关。通过少量乙二醇的引入,增强了液相对SbⅢ的溶解能力,加快了反应速率,缩短了反应时间,而且实验的重复率也得到了明显的提高。 (3)在乙二醇中,运用回流法制备出了单晶的Sb2Te3纳米片。研究了NaOH、EDTA-Na2、PVP、CTAB等试剂对产物的成分、形貌和尺寸的影响。发现羟基、氨基和羧基等基团可与Sb3+发生络合,阻碍Sb3+参与反应,对产物的纯度造成显著的影响;CTAB具有增加粉体颗粒尺寸的作用,而PVP容易吸附在颗粒的表面,不仅减小了Sb2Te3颗粒的尺寸,而且改变了电学和热学性能。由PVP修饰的Sb2Te3粉体压制的块体具有较低的热导率,具有良好的热电性能,150℃时ZT值达到了0.37。 (4)我们通过改变还原剂的用量对上述乙二醇中所得的单晶Sb2Te3片状纳米粉体的纯度进行调节;通过改变PVP的用量或退火温度对Sb2Te3纳米块体中的晶界势垒或浓度进行调节,使得电学和热学输运性质发生了不同程度的变化,最终达到了提高热电性能的目标,最大的ZT值达到了1.0左右。