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《納米碲化鉍的合成及其性能的研究》由會員上傳分享,免費在線閱讀,更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫。
1、寧夏大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論1.2.4熱傳導(dǎo)特性R時r畸e憎tio竹Heat$OUfCOⅢⅢExtemadpowerinputPoWtt94metatk)n圖1.2熱電發(fā)電和熱電制冷原理示意圖【9】一般地,要使熱電材料的性能較好,應(yīng)具備較高的塞貝克系數(shù)、電導(dǎo)率以及較低的熱導(dǎo)率,但是這3個參數(shù)不是完全獨立的,它們都決定于導(dǎo)體的電子結(jié)構(gòu)和載流子散射情況。如果只是通過增加載流子濃度和載流子的遷移率來升高導(dǎo)體的電導(dǎo)率盯,發(fā)現(xiàn)在盯升高到一定程度后,其So:beck系數(shù)會隨之減小,這就限制了電導(dǎo)率的提升空間,因此,很難獨立地對三個參數(shù)進行優(yōu)化。但是,理論研究發(fā)現(xiàn),熱
2、導(dǎo)率主要是由電子熱導(dǎo)率I(e和聲子熱導(dǎo)率Kl構(gòu)成。即:K2●寸l(1(1·7)其中,電子熱導(dǎo)率Ke服從wiedemann-Franz(維德曼.弗蘭茲)定律,即:丘=厶盯(1·8)其中,L是洛淪茲系數(shù),口是電導(dǎo)率,T是熱力學(xué)溫度。觀察(1.8)式可以發(fā)現(xiàn),式中的Ke與導(dǎo)體中的盯成正比,材料的Ke隨著盯的增大而增大。這說明不能僅僅依靠改善電導(dǎo)率來優(yōu)化材料的ZT值,由公式(1.7)可知,熱導(dǎo)率是由電子熱導(dǎo)率K和聲子熱導(dǎo)率Kl兩部分構(gòu)成,且K僅占10%,Kl所占比例較大,因此通過降低聲子熱導(dǎo)率Kl來降低總熱導(dǎo)率成為提高熱電材料ZT值的關(guān)鍵因素。材料的聲子熱導(dǎo)率可以
3、表示為:局=%cvtxi(1-9)式中,Q為熱電材料的比熱容,V為熱電材料的聲子的遷移速率,d為聲子遷移的平均自由程。熱電材料的熱電傳輸特性主要由聲子散射機制決定。聲子的散射機制包括材料中聲子對聲子的散射,晶界對聲子的散射,點缺陷對聲子的散射。通常情況下,聲子對聲子散射機理比較復(fù)雜,它與晶體的平均原子質(zhì)量m和溫度T有關(guān)。溫度T越高時,聲子參與運動、碰撞和遷移的過程就變得更加激烈和頻繁;點缺陷即散射中心主要對高頻聲子產(chǎn)生散射,點缺陷對聲子的散射與聲子的頻率有關(guān)。高頻聲子的波長與點缺陷比較接近,所以容易產(chǎn)生較強的散射;材料的結(jié)構(gòu)中存在著大量晶界,尤其是對于多晶
4、材料,故晶界在聲子散射中起著重要的作用,晶界對聲子散射與聲子的頻率和晶粒的平均尺寸有關(guān),與溫度無關(guān)。熱電材料的晶粒的尺寸越小,晶界就越多,晶-4-寧夏大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論界對聲子的散射就越強。由此可見,晶粒的細化有利于增強晶界對聲子的散射,以達到降低材料的熱導(dǎo)率的目的。當(dāng)然,材料中的熱傳導(dǎo)過程并不是某種散射機制所能夠單獨決定的,它是由各種散射機制共同作用的結(jié)果。在高溫時。聲子對聲子的散射在聲子的散射機制占主導(dǎo)地位。在中溫時,點缺陷對聲子的散射為聲子的主要散射機制。在低溫時,晶界對聲子的散射為聲子的主要散射機制。理論研究表明,具有一維或二維納米結(jié)構(gòu)熱電
5、材料的ZT值與塊狀材料相比可以很大程度的改善【12】[13】。結(jié)合納米材料的特性㈣,比如量子限域和小尺寸效應(yīng)為納米材料電子和聲子獨立調(diào)節(jié)提供了好的途徑。量子效應(yīng)為主時,能夠通過調(diào)控尺寸來優(yōu)化熱電優(yōu)值;反之,材料充分發(fā)揮經(jīng)典的尺度效應(yīng),通過界面散射實現(xiàn)縮小聲子導(dǎo)熱系數(shù),優(yōu)化熱電優(yōu)值。由此可見,降低晶格熱導(dǎo)率是優(yōu)化熱電性能關(guān)鍵因素。通過固溶,引入點缺陷,使晶格熱導(dǎo)率降低,也可以通過減小晶粒尺寸,實現(xiàn)納米化以降低材料的晶格熱導(dǎo)率,從而提高熱電材料的熱電特性。目前,國內(nèi)外研究者采用不同的制備方法合成大量的納米級別的熱電材料【l51。也借助分子束外延,化學(xué)氣相沉積、
6、閃蒸技術(shù)等對實驗條件和設(shè)備要求較高的合成工藝,合成超薄膜、二維超晶格,一維納米線,零維量子點等13】低維量子結(jié)構(gòu)的熱電材料,改善了熱電材料的熱電性能。1.3Bi2Tc3的研究現(xiàn)狀Bi:Te,是中低溫條件下性能最優(yōu)、市場上應(yīng)用最普遍的一類材料,主要用于溫差發(fā)電和通電制冷。商業(yè)化合成的Bi:Te,的ZT值約為1,也有研究者在Bi2Te3·Sb2Te3超晶格上合成Bi2Te3基體材料,ZT值最高為2.4t161。1.3.1Bi2Te3的結(jié)構(gòu)特征Bi和Te元素在周期表中的VA和VIA族,原子序數(shù)分別為52和83,它們構(gòu)成的半導(dǎo)體化合物,屬于化學(xué)穩(wěn)定性較好的材料,并
7、且分子量最大,熔點為585"C,相對其它合金較低【171。Bi2Te3是一種六方層狀結(jié)構(gòu)的窄帶半導(dǎo)體材料,其空間群為R-3M。圖1-3Bi2Te3晶體的層狀結(jié)構(gòu)【171如圖1-3為Bi2Te3晶體的層狀結(jié)構(gòu)示意圖,沿晶體的c軸方向看,在六面體層狀結(jié)構(gòu)的同一層上,原子種類相同,而且原子層之間按Te(1)-Bi.Te(2)-Bi.Te(1’層循環(huán)排列,Te原子的上標(biāo)表示不同連接類型的Te原子。一般認為原子層內(nèi)部成鍵方式以共價鍵為主,其中Te(1’-Bi是共價鍵與離·5-;贛
8、寧夏大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論子鍵的混合鍵,Bi.Te(2)q,間是共價鍵,而TeO)
9、.Te(2)中之間是范德華力。Te、Bi原子在BhTe3晶核上的結(jié)