碲化铋有机插层超晶格材料的制备与热电性能

Flexible thermoelectric devices have advantages such as anti-bending, high durability, which can be used for wearing equipment, thus owning wide application prospects. Bismuth telluride materials have the best room-temperature thermoelectric properties, but its flexibility is very low, which limits its application in thin film devices. Organic intercalation at layered thermoelectric materials have been proved to be effective in concurrent improvement in flexibility and thermoelectric properties. Herein, a new preparation method of bismuth telluride-based organic intercalated superlattice material is proposed. The effect of organic intercalation molecule type, polarity, intercalation order and superlattice interface on the structure and properties of bismuth telluride is to be systematically investigated, so to fine tune its micro-structure and thermoelectric properties.

柔性热电器件具有抗弯折、耐用性强等优点，可用于穿戴设备，应用前景广阔。碲化铋是目前室温性能最佳的热电材料，但其柔性较差，在薄膜器件的应用上受到限制。对层状热电材料进行有机插层被证明是一种可以提高柔性并优化热电性能的手段。基于此，本项目拟建立一种碲化铋基有机插层超晶格材料的制备方法，系统研究插层分子种类、分子量、极性、超晶格界面等对碲化铋插层材料的结构与热电性能的作用机制，实现对所得超晶格复合材料微结构与热电性能的有效调控。

由于具有机械柔性且成分和性能宽范围可调，无机有机杂化热电材料成为目前的研究热点之一。本研究提出了一种制备Bi2Se3Hexylamonium0.11DMSO0.06无机有机超晶格材料的新方法。该方法由锂插层、离子交换及有机分子交换反应组成。实验结果表明，插入硒化铋层间的有机分子扩大了硒化铋的层间距，并形成了三层结构。其中，正己胺阳离子与带负电的硒化铋层形成了离子键合。由于层间作用的弱化及声子限制效应，杂化超晶格结构中，硒化铋层的晶格振动模式得到了软化。杂化材料Bi2Se3Hexylamonium0.11DMSO0.06的室温功率因子达到950 µW/m·K2 ，是功率因子最好的n型柔性材料之一。由于晶格热导率的有效抑制，ZT值得到较大提升。本研究提供了一种制备无机有机插层超晶格材料的新手段，有望成为制备高热电性能柔性材料的有效方法。