通過(guò)超快速微波水熱法合成SnTe納米晶體以提高熱電性能
按語(yǔ)
這篇由中國(guó)石油大學(xué)石油加工與材料科學(xué)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究學(xué)者完成的，通過(guò)超快速微波水熱法合成SnTe納米晶體以提高熱電性能的論文，發(fā)表在《納米能源》上，其影響因子為13.12。
近年來(lái)，微波化學(xué)儀器用于材料合成的研究工作已經(jīng)成為科學(xué)研究的熱門(mén)方向，受到廣大學(xué)者的極大關(guān)注！
摘要
SnTe是IV-VI半導(dǎo)體的重要成員，SnSe和PbTe作為兩種具有代表性的熱電材料，由于其類(lèi)似于PbTe的巖鹽晶體結(jié)構(gòu)，被認(rèn)為是一種具有潛在吸引力的熱電材料。然而，由于SnTe在形貌和尺寸控制方面的困難，目前對(duì)SnTe的研究還很有限，由于其高的熱導(dǎo)率，其熱電性能也很低。本研究設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單、超快的微波水熱法合成由微尺度到納米尺度的可控尺寸的SnTe粒子。
在較寬的溫度范圍內(nèi)，研究了放電等離子燒結(jié)制備的SnTe塊體材料的熱電性能，重點(diǎn)研究了其尺寸效應(yīng)。由于納米尺寸效應(yīng)導(dǎo)致聲子散射增強(qiáng)，熱導(dǎo)率低，0.60Wm。1K1在803K時(shí)，用165-nm納米粒子在體試件中獲得.在803K時(shí)，相應(yīng)的最大ZT值提高到0.49，約為機(jī)械合金化SnTe塊體樣品的2.3倍。
詳情
熱電(Te)材料在過(guò)去幾十年中不僅因其具有優(yōu)異的余熱發(fā)電能力，而且在固態(tài)制冷[1-4]中具有廣闊的應(yīng)用前景而引起了人們的廣泛關(guān)注。SnSe單晶的ZT值達(dá)到2.6，這無(wú)疑是目前材料中最好的TE性能。SnTe作為IV-VI半導(dǎo)體的另一個(gè)成員，不僅是一種無(wú)鉛材料，而且具有與PbTe晶體相似的晶體和能帶結(jié)構(gòu)，被認(rèn)為是最有前途的熱電材料之一。然而，最近的研究表明，SnTe晶體的ZT值仍然很低，因?yàn)樗鼈儽旧砭哂休^高的熱導(dǎo)率(通常大于2.5Wm)。
在本研究中，研究員設(shè)計(jì)出一種簡(jiǎn)便、超快、綠色、高產(chǎn)的微波水熱合成納米粒子(NPs)。系統(tǒng)地討論了定向附著生長(zhǎng)機(jī)理和形貌控制技術(shù)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證和理解納米尺寸效應(yīng)，還采用球磨結(jié)合放電等離子燒結(jié)(SPS)相結(jié)合的方法制備了SnTe參比樣品。
與純SnTe塊體材料的熱電性能比較，超低導(dǎo)熱系數(shù)(1.5 W m)。1 K1至0.60西米1 K1，323-800 K，相對(duì)較高的Seebeck系數(shù)(58-90μV K)在平均直徑為165 nm的NPs燒結(jié)樣品中發(fā)現(xiàn)，ZT值較高(803K時(shí)約為0.49)，這與聲子散射增強(qiáng)和能量過(guò)濾效應(yīng)增強(qiáng)有關(guān)。
圖一↑
圖一： (a)微波水熱合成系統(tǒng)：(b)溫度曲線作為反應(yīng)時(shí)間的函數(shù)，(c)SnTe納米粒子的XRD圖譜，(d)和(e)是不同倍率下的SEM圖像，(f)是模擬SnTe納米粒子的八面體結(jié)構(gòu)；(g)、(h)和(i)是整體TEM、SEAD和HRTEM圖像.
圖二↑
圖二： (a)、(b)和(c)是用0g，1.0g，1.25g NaOH合成的SnTe NPs的SEM圖像; (d)是樣品(a)和(c)的XRD圖譜； (e)和(h)，(f)和(i)，(g)和(j)是用1.50g，2.50g，5.50g NaOH合成的SnTe粒子的SEM圖像。
圖三↑
圖三： (a)SPS后樣品的整體形貌，其嵌體分別為矩形柱和方形晶片，用于測(cè)試熱電性能和霍爾測(cè)量： (b)為未摻雜SnTe參考樣品的XRD圖譜； (c)、(d)、(e)和(f)是從機(jī)械合金化粉末(c)或不同直徑的顆粒(165 nm(d)、550 nm(e)和8.2 mm(f)燒結(jié)的致密試樣上的詳細(xì)掃描電鏡圖像。
圖四↑
圖四： 從165 nm、550 nm納米粒子(NPs)、8.2mm微米顆粒(MPS)和機(jī)械合金化(MA)粉末中燒結(jié)的致密樣品的性能曲線為： (a)總熱導(dǎo)率， (b)晶格熱導(dǎo)率， (c)電導(dǎo)率， (d)和(e)電輸運(yùn)機(jī)制， (f)空穴遷移率，載流子濃度和mmx*/0*比值，作為減小晶粒尺寸的函數(shù)， (g)Seebeck系數(shù)， (h)功率因數(shù)和(i)ZT值。
結(jié)論
利用聲子散射理論和納米尺度效應(yīng)引起的能量濾波效應(yīng)，系統(tǒng)地研究了納米能量28(2016)78-86的性質(zhì)。當(dāng)直徑從8.2mm減小到165 nm時(shí)，熱導(dǎo)率顯著降低。
極低導(dǎo)熱系數(shù)，0.60W m1 K1在803K時(shí)，由于細(xì)化晶粒、晶界和點(diǎn)缺陷的干擾增強(qiáng)了聲子散射效應(yīng)，用165 nm納米粒子燒結(jié)了致密樣品。這一數(shù)值僅為參考樣品的11.8%，是迄今為止未摻雜SnTe的最低熱導(dǎo)率。
與參比樣品相比，165 nm NPs樣品在803 K處獲得了較高的ZT值，為0.49，也高于其他工作。微波水熱法、控制晶粒尺寸或形貌的技術(shù)以及納米尺寸效應(yīng)也為研究一類(lèi)廣泛的半導(dǎo)體熱電材料的合成-結(jié)構(gòu)-性質(zhì)關(guān)系提供了新的見(jiàn)解。
