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【引言】

熱電裝置可以將廢棄的能源直接轉化為有用的能源電。研究人們對這些材料的興趣是因為它們在熱電發(fā)電機中得到了應用，熱電發(fā)電機可以將發(fā)動機、飛機和發(fā)電機組的廢熱轉化。熱電冷卻器，如納米器件熱點冷卻和帕爾貼冷卻器也利用了熱電效應。

【成果介紹】

本文提出了一種簡單的熱化學方法，以元素鉍和硒粉為前驅體，制備高質量的Bi₂Se₃納米片。通過X射線衍射（XRD）、X射線光電子能譜（XPS）和高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）對合成產(chǎn)物的晶體結構進行了表征。用LINSEIS LSR-3測量了棒狀樣品在室溫至533K溫度范圍內(nèi)的電導率和熱功率。通過一系列的實驗研究了血小板的形態(tài)和化學合成參數(shù)；在大規(guī)模生產(chǎn)中，血小板的厚度和成分得到了很好的控制。隨后進行放電等離子燒結（SPS）制備了n型納米結構體熱電材料。兩個選定樣品的拉曼光譜（厚度分別為50和100nm）顯示出三種振動模式。低厚度樣品的紅移約為2.17cm^-1，面內(nèi)振動模式E²_g的展寬約為10cm^-1。據(jù)我們所知，純相硒化鉍的優(yōu)值為0.41。我們觀察到金屬導電行為，而半導體行為納米硒化鉍的報道可能是由于采用不同的合成技術。這些結果清楚地表明，我們所采用的合成技術對這種材料的電子和熱電輸運性能有著深遠的影響。

【圖文導讀】

圖1: （a） 2µm標度下產(chǎn)品的TEM圖像，顯示燒結片材;（b） 500納米尺度下的TEM圖像，可以很好地分辨出單獨的薄片;（c） 沿（012）方向顯示d間距和生長方向的高分辨率TEM圖像;（d） 相應的SAED圖譜顯示出菱形晶體結構。

圖2: （a） 在600℃、2℃/min的升溫速率和2小時的反應時間下合成Bi₂Se₃納米片的SEM圖像;（b） 掃描電鏡在較高的分辨率顯示平均厚度的表;（c） Bi₂Se₃反應4h的SEM觀察;（d） 掃描電鏡在更高的分辨率顯示，平均厚度為100nm。

圖3: （a） 自組裝花狀Bi₂Se₃納米片在2℃/min升溫速率下的SEM圖像;（b） 掃描電鏡在較高的分辨率顯示平均厚度的表;（c） Bi₂Se₃反應4h的SEM觀察;（d） 掃描電鏡在更高的分辨率顯示，平均厚度為50nm。

圖4: Bi₂Se₃納米片的（a）電導率和熱電功率的溫度依賴性（b）功率因數(shù)（c）熱導率（d）優(yōu)值ZT。

【結論】

綜上所述，我們利用Bi和Se粉末作為前驅體，通過一種簡單的技術成功地將Bi₂Se₃的形貌控制在50nm左右。首先，我們優(yōu)化了沒有氧化峰的參數(shù)，然后通過調(diào)節(jié)不同的參數(shù)如反應溫度、反應時間和升溫速率來控制形貌。用XRD和HRTEM分析了產(chǎn)物的晶體結構。對所選擇的100nm和50nm厚度的樣品進行了拉曼光譜分析，在我們的樣品中觀察到了三種振動模式。從50nm到100nm的拉曼峰發(fā)生了顯著的位移和展寬，表明50nm樣品中的聲子相互作用和波干涉增強。因此，所選樣品的溫度依賴性熱電測量顯示出增強的優(yōu)值。導電率隨溫度升高而降低，表現(xiàn)出金屬導電行為，這是合成工藝的結果。結果表明，該合成工藝對Bi₂Se₃的熱電輸運特性有著深刻的影響，為設計高性能、低成本的熱電器件提供了依據(jù)。