Cu和Ag掺杂的Bi2Se3热电薄膜的制备与特性研究

来源 :辽宁师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:yjyu2012
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近来,世界范围内的科学家们都在关注低维与微纳尺度下的新型热电材料的研究,期望通过纳米科技、量子限域效应级尺寸效应制备出具有更高热电效率、廉价轻质、具有一定柔韧性和可塑性的新型热电薄膜材料。针对新型热电材料的制备及热电性能提升问题,本论文开展了金属Cu、Ag掺杂Bi2Se3新型热电薄膜材料的制备及热电特性研究工作,并利用各种分析检测设备对制备的各种Cu和Ag掺杂热电薄膜的特性进行分析。研究结果对开发新型Bi2Se3热电薄膜材料,提升该类材料的热电优值和Seebeck系数具有重要应用价值。论文主要研究工作如下:(1)以高纯Bi2Se3粉末为原料,釆用热蒸发法制备了二维非掺杂Bi2Se3热电材料薄膜,用SEM、XRD、EDX、热电特性测试等检测手段研究了制备的不同厚度薄膜的微观结构、表面形貌及热电特性,对Bi2Se3热电材料的热电转换机理进行了分析讨论。(2)采用热蒸发法在Bi2Se3材料中掺杂了金属Cu与Ag,制备出了不同掺杂含量的热电薄膜。测试了不同样品的微观结构、表面形貌及热电特性。比较发现,与以往纳米碳管与有机聚合物复合热电材料的热电特性相比,制备的新型金属掺杂热电复合材料降低了制造成本,提高了复合热电材料中电子的输运特性。同时,通过金属元素的掺杂,在材料中形成了大量的界面势垒,增加材料对低能电子和声子的散射强度,提高了热电材料的热电优值。(3)研究发现因Bi2Se3具有的层状晶体结构,可使金属原子更好的嵌入其层状结构中,并分散在晶格体系中,这些内嵌的金属原子可形成大量的声子界面势垒,降低晶格体系中的低能电子和声子的传输,加强对它们的散射作用,降低材料的热导率,提高热电效率。(4)通过对比掺杂单质Cu、单质Ag制备的Cu/Bi2Se3、Ag/Bi2Se3热电薄膜材料,发现金属Ag掺杂的Ag/Bi2Se3热电薄膜材料表现出了更好的热电特性。这主要是金属元素Ag的金属活性比Cu强,Ag原子的半径也比Cu原子大,少量Ag的掺杂,可显著提高Ag/Bi2Se3复合薄膜的电导率,Ag与Bi2Se3的层状结构中形成较好的连接,增加了体系中层与层间载流子的传输能力,部分Ag原子通过替位和填隙替代或嵌入了晶格中,作为施主提供了新的载流子(电子和空穴),有效的改善了晶格结构中电子传输的平均自由程及传输效率,增加了电子在体系间输运性能。
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