摘要
热电材料是一种能够将热能转换成电能，同时能用电能来加热或者制冷的材料，这种材料在面临未来的能源危机中扮演着越来越重要的角色。在低温到室温区域应用上，铋基合金如BiSb，Bi2Te3和BiSbTe通常是最佳选择。但是，传统铋基合金的热电优值系数ZT依然很低。纳米工程被认为是提高热电性能最有效途径之一。在众多纳米结构中，纳米线和超晶格纳米线吸引了科研工作者的广泛关注，这是因为理论预言在这些纳米结构中将会得到很大的ZT值。在这篇论文中，采用电化学沉积方法在氧化铝模板中制备了一系列的铋基合金纳米线及超晶格纳米线，优化了沉积参数并测量了热电性能，讨论了相关的物理和化学性质。 采用电沉积技术，制备出具有高度取向的单晶Bi1-xSbx合金纳米线阵列，研究了Bi1-xSbx合金纳米线的热电和热融化性质。纳米线的直径和组分可以分别通过改变氧化铝模板的孔径和沉积电势进行调控，发现直径为45nm的Bi1-xSbx合金纳米线呈现半导体特性，且Sb掺杂进入Bi能有效地提高Seebeck系数。另外，Bi1-xSbx合金纳米线的熔点与纳米线的直径和组分密切相关。 采用脉冲电沉积方法在氧化铝模板中制备了不同直径的具有高度择优取向的Bi0.5Sb1.5Te3单晶纳米线，发现Bi0.5Sb1.5Te3单晶纳米线的电阻随着温度的升高而降低。采用自加热的3ω方法测量了Bi0.5Sb1.5Te3单晶纳米线的热导率，发现Bi0.5Sb1.5Te3单晶纳米线的热导率首先随着温度的升高而升高，达到某一峰值后，热导率随温度的升高而降低，且倒逆散射峰随着纳米线直径的减小向高温区移动，这与采用Callaway模型理论计算结果相符合。认为声子边界散射增强是降低热导率的主要原因。 通过直流电沉积和脉冲电沉积制备了Bi-Sb-Te三元合金热电纳米线，研究了纳米线的热电性能。发现在接近化学计量比的Bi0.5Sb1.5Te3纳米线中Seebeck系数最高。与直流电沉积制备的Bi0.5Sb1.5Te3纳米线相比较，脉冲电沉积得到的Bi0.5Sb1.5Te3纳米线不仅具有更均一的纳米线生长前沿和更高的结晶度，而且具有更加优越的热电性质。其中，脉冲电沉积得到的Bi0.5Sb1.5Te3纳米线的ZT值在330 K时可达1.14。 通过脉冲电沉积，外延生长出小单元长度的Bi2Te3/Sb超晶格纳米线。通过Harman方法测量了超晶格纳米线阵列的热电性能，330 K时的ZT值可达0.15。另外，研究了Bi2Te3/Sb超晶格纳米线阵列器件的制冷或者加热能力，发现器件的上下表面的最大温差△T可以达到6.6K。 设计并制备了成分和周期可控的热电Bi2Te3/BiSbTe超晶格纳米线。发现Bi2Te3/BiSbTe超晶格纳米线的成分和周期可以通过改变沉积电势的大小和沉积时间来控制，详细讨论了电化学沉积过程。
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