碲化铋基纳米结构材料的电、声输运性能的协同调控

In this proposal, a self-developed gas-induced reduction method will be used to synthesize bismuth telluride based hexagonal nanoplates. By adjusting the synthesis conditions and examining the growth process of the nanoplates，their growth mechanism will be proposed. The effect of sulphur doping on the band structure and density of states of bismuth telluride will be theoretically studied. Different amounts of sulphur-doped bismuth telluride based nanostructured films will be prepared by combining spin-coating and gas-induced reduction method. Highly textured, homogeneous, and dense films will be prepared by adjusting the synthesis conditions. The formation mechanism of the films and the relation between composition, microstructure, and thermoelectric properties of the films will be proposed and studied, respectively. Different amount of sulphur-doped bismuth telluride based hexagonal nanoplates will be consolidated to obtain dense nanostructured bulk materials. The effect of sulphur doping on the microstructure and thermoelectric properties will be studied. Cu or Bi nanopowders prepared by wet chemical method will be mixed with n-type bismuth telluride based nanoplates and consolidated. The influence of copper or bismuth nanoinclusions on the thermoelectric properties of the materials will be studied. The thermal and electrical properties of the bismuth telluride based materials will be tuned via optimizing the synthesis conditions, compositions (including the content of sulphur), and microstructures (including size and orientation of the nanograins and the size and concentration of Cu or Bi nanoinclusions in the materials). If this proposal will be implemented, it will promote the research on bismuth telluride based thermoelectric materials and as well as their applications.

用自主创新的气相诱导还原法合成碲化铋基六方纳米片，通过调节合成工艺参数，分析研究该种六方片的生长过程，揭示其生长机制。通过理论计算阐明硫掺杂对碲化铋的能带结构、电子态密度的影响。匀胶与气相诱导还原技术相结合制备适量硫掺杂的碲化铋基纳米结构热电薄膜，调节制备工艺参数，使膜内的纳米晶沿着与基面平行方向生长，薄膜均匀致密；揭示薄膜的形成和生长机制及其组分、显微结构对热电输运性能的影响规律。硫掺杂的碲化铋基六方纳米片的合成及致密化获得纳米结构块体材料，阐明硫掺量对其显微结构和热电性能的影响。将湿化学法制备的铜纳米粉或铋纳米粉与碲化铋基六方纳米片以一定比例混匀后致密化，揭示铜或铋纳米夹杂物对材料的热电性能的影响；通过调节烧结工艺参数、优化组分及显微结构（包括纳米晶大小及取向，纳米夹杂物大小及浓度），实现碲化铋基材料的电、声输运性能的协同调控；该研究将促进碲化铋基热电薄膜和块材的研究及其实用化进程。

采用自主创新的气相诱导还原(GIR)法合成 Bi2Te3基合金六方纳米片，发现该种纳米片是按选择性吸附机理生长的。首次发现掺Cu可有效防止Bi2Te3的氧化；理论计算表明其原因是掺Cu可提高系统的稳定性，且Cu是替代掺杂优先于插层。研究了掺Cu的同时掺Se对Bi2Te3（Cu0.05 Bi2Te3-xSex）的热电性能的影响，发现随Se的掺量增加电导率增大，Seebeck系数则相反。这主要是掺Se使载流子浓度增大。x=0.3 样品有最大功率因子为17.6 µWcm-1K-2，比未掺 Se 时提高了10%。选择Cu0.05Bi2 Te2.7Se0.3为基样，发现加入Bi纳米粉可以促使烧结，当加量小于 1%时，电导率略有增加，而Seebeck系数则比没有加Bi的试样要高。其主要原因是微空洞对载流子的散射。加 Bi 后，明显增大了功率因子，加 2%Bi试样的最大功率因子达到30.3 µWcm-1K-2，相比未加Bi 的样提升了 75%，这是目前报道的 n 型Bi2Te3基热电材料较好的值。用微波辅助湿化学法制备了Bi2Te3纳米棒、纳米片、纳米花。Bi2Te3纳米花热压后试样具有较高的功率因子，达到17.3 Wcm-1K-2。改变前驱液的酸碱性可调控Bi2Te3和Bi2Se3纳米结构形貌。将Bi2Te3纳米花和 Bi2Se3纳米花混合后热压制成 Bi2Se3Te3-y（y=1, 2, 3）块体,随Z的增加试样的电导率增加， Seebeck系数绝对值明显变小，这主要是载流子浓度增大的缘故。y=1 样品具有最大的功率因子 24.5µWcm-1K-2（369K），比任志峰课题组用高能球磨后热压同组分的材料的功率因子( 20µWcm-1K-2)高，表明该工艺很有希望。研究了添加MoS2纳米片对Bi0.4Sb1.6Te3合金的热电性能的影响，加少量MoS2纳米片使材料更密实，结晶性更好，从而提高电导率，而Seebeck系数变化不大，掺6% MoS2的最大功率因子达18.3μW cm-1K-2，比不加的高30%。研究了Bi2S3纳米片添加对Bi2Te3热电性能的影响，发现其作用与添加MoS2纳米片类似(加3% Bi2S3的最大功率因子达20μW cm-1K-2)，但后者是与Bi2Te3形成固溶体，而前者只是复合。本项目研究成果对从事Bi-Te基材料研究的工作者有重要的参考价值。