摘要
硒化铋(BiSe)作为Ⅴ-Ⅵ主族化合物，具有很低的本征热导，显示出比传统的Bi2Se3更好的热电性能。目前，已经商用的主流热电材料是含Te（碲）的化合物，Bi2Te3基、PbTe基等热电材料，受到Te在地球含量少以及毒性大等原因影响，难以大规模投入使用，而BiSe基化合物则规避了Te的各种缺点，有望成为新一代的近室温热电材料。此外，Bi-Se化合物的多种层状结构也为提高材料的热电性能创造了良好的条件。此本论文对BiSe化合物的合成、掺杂、纳米化改性以及薄膜制备和掺杂进行了实验研究，对所得材料的物性进行了多种物化表征，获得了以下主要结果： （1）Sn掺杂及纳米化的BiSe制备与物性研究。以Bi、Se、Sn的单质作为原料，采用高温固相法的手段，合成Bi1-xSnxSe化合物（x=0，0.1，0.2），并对部分化合物进行高能球磨纳米化处理、晶粒尺寸计算，表明球磨后的粉末晶粒尺寸为原尺寸的约1/7，；球磨前后的样品经放电等离子烧结（SPS）压制成块体，考察其热电性能，结果显示Sn掺杂与纳米化均对提高BiSe的热电性能有所贡献。Sn掺杂降低了载流子浓度，纳米化不仅有效的提高了样品塞贝克系数，使塞贝克系数提高了11.2%，而且影响了压制后块体的各向异性，使得平行SPS方向的电导率有所提高，功率因数则小幅度提高；Sn掺杂增强了声子散射，纳米化减少晶粒尺寸提高声子的界面散射，二者协同作用大幅度降了样品的热导，热导最低在673K时为0.43W·m-1·K-1，比未经掺杂和纳米化样品的热导降低了46.2%。通过电输运以及热输运的联合优化，在BM-Bi0.9Sn0.1Se样品中，ZT最大值在473K时达到0.32，比BiSe样品提高了31.6%。 （2）Sn掺杂BiSe薄膜的制备及表征。以Bi、Sn、Bi2Se3为原料，采用真空热蒸发的手段，制备Bi1-xSnxSe薄膜（x=0.06，0.11，0.18）。掌握了BiSe薄膜的成相的规律，在衬底温度470℃的条件下，BiSe薄膜形成纯相。同时，Sn掺杂的BiSe薄膜，在物相上表现为纯相，薄膜的取向随着Sn掺杂浓度提高而下降；在形貌方面，Sn掺杂会使得薄膜变得粗糙；在电输运性能上表现为载流子浓度降低，电导率降低，迁移率提高，有与BiSe粉末相同的趋势，功率因数小幅度提高。 以上的研究结果表明，在BiSe体系中掺入Sn，并加入球磨，薄膜化等其他手段来优化BiSe的热电性能，能在一定范围内优化热电性能；在不同的形貌下（粉末与薄膜），Sn掺杂对于BiSe体系热电性能均有提升。
NETL