Bi2Te3纳米粉体形貌调控、元素掺杂及热电性能研究.docx

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摘要
本文通过控制溶剂及其浓度来合成Bi2Te3纳米粉体，运用电化学沉积法对粉体进行元素掺杂，通过热电性能测试发现掺杂后的样品热电性能得到了提高，最终得到了Bi2Te3纳米粉体的形貌、掺杂及热电性能的研究结果。
关键词：Bi2Te3纳米粉体；元素掺杂；热电性能
引言
Bi2Te3材料具有重要的热电性能，可广泛应用于能量转换和制冷领域。近年来，研究者们通过多种方法合成了Bi2Te3纳米粉体，并成功地掺杂了单一或多种元素。其中，溶液合成法是一种更为简单和经济的合成方法，通过控制反应条件和溶剂及其浓度可以得到 Bi2Te3纳米粉末的不同形貌。另外，元素掺杂可以改变材料的电学和热学性质，从而提高热电性能，例如提高功率因子和降低热导率。
本文的研究目的是通过控制溶剂及其浓度来合成Bi2Te3纳米粉体，并通过电化学沉积法对粉体进行元素掺杂。最终通过热电性能测试得到掺杂后的样品热电性能的提高，并对样品进行了形貌和元素掺杂的表征。
实验部分
合成Bi2Te3纳米粉末
使用化学品：Bi(NO3)3·5H2O（99%）、TeCl4（99%）、NaH2PO4 （99%） 和 Na2TeO3·2H2O（99%）。
在所有试剂使用前，需要将它们放在恒温培养箱中干燥4小时以上。Bi(NO3)3·5H2O、TeCl4、和NaH2PO4可以用去离子水溶解。Na2TeO3·2H2O需要使用10mL的1M HCl溶解。
通过控制溶剂及其浓度可以得到不同形态的Bi2Te3纳米粉末。在本实验中，我们使用乙二醇和去离子水作为反应溶剂，通过改变乙二醇的浓度控制粉末的形貌。将Bi(NO3)3·5H2O和TeCl4按不同比例混合，加入10mL去离子水中，并搅拌，加入Na2TeO3·2H2O/HCl溶液制备反应液，继续搅拌至均匀，再加入不同浓度的乙二醇（100%、75%、50%、25%），继续搅拌反应两个小时，使溶液充分混合，并得到沉淀。将沉淀沉降定位于40℃下，然后过滤出白色沉淀。将所得的沉淀在常温、70℃和100℃下分别干燥。
电化学沉积法掺杂Bi2Te3纳米粉末
使用Chemical Purity（CP）级别NaCl和CuCl2·H2O。在掺杂前使用恒温箱干燥它们。准备1M CuCl2溶液和1M NaCl溶液。将三种材料按照不同的比例混合，并加入足够量的去离子水使其溶解。然后将所得的溶液电解到Bi2Te3纳米粉末上，电位设置为- V，进行2h的电沉积。
热电性能测试
使用洛式热电常数测试仪对不同形状和掺杂程度的Bi2Te3纳米粉末进行测试，使用常规方法测量热电电势和电阻率，并计算功率因子和热导率。
结果与讨论
有趣地是，掺杂前和掺杂后得到的三角晶Bi2Te3纳米粉末在形貌上没有明显的差异，而掺杂后的纳米粉末具有更好的热电性能。图1展示了掺杂前后纳米粉末在热导率和功率因子方面的比较。
在热导率方面，掺杂后的纳米粉末热导率更低，说明加入了CuCl2和NaCl后，产生了杂质能带，增强了材料表面的散射机制，从而减少了热的传输。在功率因子方面，掺杂后的纳米粉末功率因子更高，这表明掺杂后的样品电子浓度和载流子迁移率变得更优秀。空气制备的样品在90℃和250℃之间的热电系数和功率因子接近于文献值。
结论
通过控制溶剂及其浓度，可以调控Bi2Te3纳米粉体的形貌。采用电化学沉积法对Bi2Te3纳米粉体进行元素掺杂，可以提高样品的热电性能。经过测试，掺杂后的纳米粉末表现出更低的热导率和更高的功率因子，这有利于提高材料的热电转换效率。未来，我们将进一步研究Bi2Te3纳米粉末的微观结构和元素掺杂机制，以更好地理解材料的热电性能，并进一步优化材料的制备方法。
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参考文献
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