Se掺杂量对n型Bi2Te3-xSex微结构及热电性能的影响
张骐昊, 徐磊磊, 王连军, 江莞
东华大学 纤维材料改性国家重点实验室, 上海201620
通讯作者: 王连军, 教授. E-mail:wanglj@dhu.edu.cn

作者简介: 张骐昊 (1988-), 男, 硕士研究生. E-mail:zqh378@163.com

摘要

通过水热法合成不同Se掺杂量的Bi2Te3-xSex (0 ≤x ≤0.45)纳米粉体, 采用放电等离子烧结技术, 制备出致密度较高的块体材料。通过X射线衍射、扫描电镜、透射电镜等测试手段对材料的微结构进行了表征, 并重点研究了含有不同Se掺杂量块体材料的显微结构和热电性能。结果表明: Se元素的掺杂使得粉体XRD特征衍射峰向高角度偏移, 并且衍射峰出现宽化, 晶粒尺寸变小。随着Se掺杂量的增加, 块体材料的电导率先增大后减小; Se元素的掺杂有效地降低了材料的热导率, 并提高了材料的Seebeck系数。研究结果表明: 在整个测试温度区间, 所有经过Se掺杂的样品ZT值都高于未掺杂样品。当Se掺杂量为0.3时, 样品具有最大的ZT值, 平均约为0.51, 并在475 K时达到最大值0.57, 相比未经Se掺杂的Bi2Te3提高了159%。

关键词: 碲化铋; 硒掺杂; 水热合成; 放电等离子体烧结; 热电性能
中图分类号:TN304   文献标志码:A    文章编号:1000-324X(2014)11-1139-06
Effects of Different Amount of Se-doping on Microstructures and Thermoelectric Properties of n-type Bi2Te3-xSex
ZHANG Qi-Hao, XU Lei-Lei, WANG Lian-Jun, JIANG Wan
State Key Laboratory for Modification of Chemical Fibers and Polymer Materials, Donghua University, Shanghai 201620, China
Abstract

A hydrothermal method combined with a subsequent spark plasma sintering technique was successfully utilized to synthesize selenium (Se) doped bismuth telluride (Bi2Te3-xSex) (0≤x≤0.45). The influence of Se-doping on the composition and morphology of n-type Bi2Te3-xSex was studied by X-ray diffraction, scanning electron microscope and transmission electron microscope. Thermoelectric properties of the as-prepared bulk Bi2Te3-xSex nanocomposites were investigated in detail. Results showed that the grain became finer by the Se-doping. With increasing Se doping content, the electrical conductivity of bulk Bi2Te3-xSex increased firstly and then decreased. Se-doping effectively reduced the thermal conductivity and improved the Seebeck coefficient to some extent. Consequently, a maximumZTvalue of 0.57 was obtained from bulk Bi2Te2.7Se0.3 at 475 K, which was increased by 159% as compared with pure bulk Bi2Te3.

Keyword: bismuth telluride; Se-doping; hydrothermal synthesis; spark plasma sintering; thermoelectric properties

近年来, 随着能源危机和环境污染的日益严重, 开发绿色清洁新能源、探索余热废热回收利用技术引起了各国的高度重视。热电材料作为一种有效地实现热能和电能直接转化的新型功能材料, 在热电制冷和温差发电领域具有广泛的应用前景[ 1]。材料的热电性能取决于热电优值 ZT值, ( ZT = α2σT/ κ, 其中 α是Seebeck系数, σ是电导率, T是绝对温度, κ是热导率), ZT值越大, 则材料的热电转换效率越高[ 2]。Bi2Te3及其固溶体合金是研究最早的也是最成熟的热电材料之一, 是目前室温下热电性能最好的材料, 已广泛应用于半导体制冷元件[ 3]。但是由于Bi2Te3 ZT值不够高, 因而没有得到大规模应用。如何进一步提高Bi2Te3的热电性能, 实现其商业化, 是当前急需解决的问题。

从材料的组成来讲, 形成固溶体合金是提高材料热电性能的有效途径[ 4, 5, 6]。该方法是在材料的晶体结构中引入适当的短程无序而不改变晶格的长程有序。这种点缺陷不会对波长相对较长的载流子产生较强的散射, 可以在保持迁移率不发生明显变化的条件下降低材料的热导率, 从而优化材料的热电优值。另外, 材料的热电性能强烈依赖于费米能级, 而费米能级的高低主要由载流子浓度决定。掺杂适当元素, 可以有效调节载流子浓度, 进而优化材料的热电性能。

硫族(Te、Se)[ 7, 8, 9, 10]和氮族(Bi、Sb)[ 11, 12, 13]等元素是掺杂的首选, 大多数报道采用球磨和热压相结合的传统方法进行掺杂, 但是其制备时间长, 成本高。本工作采用水热法合成了不同Se掺杂量的Bi2Te3- xSe x纳米粉体, 然后利用放电等离子体烧结(SPS)技术, 制备出结构致密的合金块体。利用合金化和纳米化的协同作用进一步降低材料热导率, 提高热电性能。主要研究了不同Se掺杂量对Bi2Te3- xSe x粉体、块体相结构、微观形貌和热电性能的影响, 确定了最佳的Se元素掺杂量。

1 实验方法
1.1 样品制备

以Te粉(99.9999%)、Se粉(99%)、BiCl3(分析纯)为原料, 按照Bi2Te3- xSe x( x=0.1、0.15、0.3、0.45)的化学计量比精确称取原料。将原料在烧杯中混合均匀, 以去离子水为溶剂, NaOH为pH调节剂, NaBH4为还原剂, EDTA为包覆剂, 超声振荡1 h后转移至WDF型高压反应釜中, 在200℃下保温8 h, 冷却至室温后, 对所得到的混合溶液进行抽滤, 并反复用去离子水和无水乙醇清洗, 最后在60℃下真空干燥6 h, 得到黑色合金粉末。用Dr Sinter-SPS 725放电等离子烧结炉对粉体进行烧结: 石墨模具内径为10 mm; 采用两步加压, 即初始加压30 MPa, 升温速率为50~100 ℃/min; 最终保温压力为80 MPa, 保温温度为350℃, 保温时间为6 min。

1.2 样品表征

通过日本Rigaku D/Max-2550 PC型X射线衍射 (X-ray diffraction, XRD)仪对样品进行物相分析。用日本S-4800型场发射扫描电子显微镜 (Field emission scanning electron microscope, FESEM) 、2100F型透射电子显微镜(Transmission electron microscope, TEM)观察粉体和块体样品的微观形态。用日本ULVAC-RIKO, ZEM-3型热电测试装置同时测量块体样品的电导率和Seebeck系数。利用 Archimedes 排水法原理测得块体材料的密度( ρ); 采用德国Netzsch LFA427型热导仪, 应用激光脉冲技术在Ar气氛中测定样品热扩散系数( λ); 利用耐驰差示扫描量热仪(204F1)测量材料的热容( Cp), 由公式 κ = λCp ρ计算得到材料的热导率。

2 结果与讨论
2.1 不同Se掺杂量的Bi2Te3- xSe x纳米粉体的分析

图1为不同Se掺杂量的Bi2Te3- xSe x纳米粉体的XRD图谱。从图1(a)中可以看出, 与单相Bi2Te3的衍射峰相对比, 所有化合物均具有斜方六面体晶体结构(空间群R3m), 没有杂峰出现。一些衍射峰为接近的两个峰的交叠, 特别是三强峰尤为明显, 这与文献[14]报道一致。由此判断, 合成粉体由结构相似且成份相近的两相组成, 其中一相接近Bi2Te3, 另一相接近于Bi2Se3。随着Se含量的增加, Bi2Te3- xSe x的特征峰强度减弱。合成粉体的(015)特征峰(图1(b))随 x值的增大向高角度偏移, 由Bi2Te3的27.66°转变为Bi2Te2.55Se0.45的27.90°, 并且衍射峰也更宽化, 表明晶粒尺寸变小。

图1 不同Se掺杂量的Bi2Te3- xSe x纳米粉体的XRD图谱Fig. 1 XRD patterns of Bi2Te3- xSe x nanopowders being doped with different Se-doping contents

图2为不同Se掺杂量的Bi2Te3- xSe x纳米粉体的电镜照片, 从图中可以看出, 粉体分散性较好, 没有明显的团聚现象。合成粉体为细小的、具有不规则形状的纳米颗粒。从图2(a~c)可以看出, 不规则状粉体颗粒尺寸从80 nm减小到50 nm, 这表明随着掺入半径较小的Se元素, 合金粉体尺寸变小, 这与XRD分析结果相一致。图2(d)为Bi2Te2.55Se0.45粉体高倍透射电镜照片, 图中晶粒的晶面间距为0.319、0.217 nm分别对应于Bi2Te2.55Se0.45化合物斜方六面体结构的(015)和(110)点阵面, 相比Bi2Te3单相, 其晶面间距有所减小。

图2 不同Se掺杂量的Bi2Te3- xSe x纳米粉体的场发射扫描电镜和透射电镜照片Fig. 2 FE-SEM and HRTEM images of Bi2Te3- xSe xnano-powder being doped with different Se contentsSEM images of (a) Bi2Te2.9Se0.1, (b) Bi2Te2.7Se0.3 and (c) Bi2Te2.55Se0.45, HRTEM image of (d) Bi2Te2.55Se0.45 nanopowder

2.2 不同Se掺杂量的Bi2Te3- xSe x块体的断面形貌

图3是采用SPS烧结制备的块体Bi2Te3- xSe x样品的断口形貌。从图3中可以看出, 经过SPS烧结, Bi2Te3- xSe x主要呈片状结构, 并也含有少量不规则状晶粒, 没有明显的择优取向, 并且可以看到所有样品微观结构都呈大晶粒中间穿插着一些小晶粒形貌, 属于典型的微纳多尺度结构。由于一些微小的晶粒填充到大晶粒的空隙之间, 提高了块体样品的致密度, 所有样品的相对密度均在98.9%以上(表1)。由于Te(1)-Te(1)原子之间以较弱的范德华力相结合, 断口呈现出“台阶式”的解理, 表现为脆性的穿晶断裂[ 15]。另外, Bi2Te3- xSe x纳米粉体在SPS烧结过程中晶粒长大, 由50~100 nm大小的晶粒长大为平均尺寸约0.5~1 μm晶粒。随着Se元素掺杂量的增加, 晶粒内的解理程度下降。从图3(a~e)可以看出, SPS烧结后样品颗粒尺寸先增大后减小, 选取Bi2Te2.55Se0.45某一区域放大(图3f), 可见样品晶粒尺寸较小, 平均约为400 nm, 呈现晶粒交叉排列的层状结构。

图3 不同Se掺杂量的Bi2Te3- xSe x块体的断面形貌Fig. 3 Fractured surfaces′ morphologies of bulk Bi2Te3- xSe x being doped with different Se contents(a) Bi2Te3; (b) Bi2Te2.9Se0.1; (c) Bi2Te2.85Se0.15; (d) Bi2Te2.7Se0.3; (e) and (f) Bi2Te2.55Se0.45

表1 不同Se掺杂量的Bi2Te3- xSe x块体密度及相对密度 Tables 1 Densities and relative densities of Bi2Te3- xSe xbulk samples being doped with different Se contents
2.3 不同Se掺杂量的Bi2Te3- xSe x块体的热电性能

图4是不同Se掺杂量的Bi2Te3- xSe x块体的电导率随温度的变化关系, 从图中可以看出, 所有Bi2Te3- xSe x样品的电导率都随温度的升高而降低, 呈现出金属导电特性(d σ/d T<0)。随着Se含量的增加, 电导率波动较大, Bi2Te2.9Se0.1样品的电导率最大。室温下, 最大电导率为1.17×105S/m, 该值相比Bi2Te3块体室温下的0.433×105S/m提升了1.7倍。而Bi2Te2.55Se0.45样品的电导率最低, 其电导率在室温下低至0.35×105S/m, 这与文献报道的Bi2Te3基体电导率随Se掺杂量增加而降低的趋势相似[ 16]。这是由于样品电导率的变化主要取决于载流子浓度和载流子迁移率的改变。一方面, Se的掺杂会增加载流子浓度, 导致电导率增大; 但另一方面, 随着Se的掺杂量增加, 块体样品晶粒逐渐变小, 这会在材料内部引入更多的晶界, 而增加载流子的散射, 减弱载流子迁移率, 导致样品的电导率降低[ 7]

图4 不同Se掺杂量的Bi2Te3- xSe x块体的电导率随温度的变化关系Fig. 4 Temperature dependence of electrical conductivity for Bi2Te3- xSe x bulk samples being doped with different Se contents

图5是不同Se掺杂量的Bi2Te3- xSe x块体的Seebeck系数随温度的变化关系, 由图可知: 所有样品的Seebeck系数都为负值, 表明样品均为n型半导体, 载流子为电子。当 x=0.45时, 块体样品的Seebeck系数明显增加, 在350 K时取得最大值 (-175 μV/K)。同时这一数值也高于之前文献报道的Bi2Te2.55Se0.45在该温度下的Seebeck系数[ 16]。然而Bi2Te2.9Se0.1的Seebeck系数平均值却比纯Bi2Te3的低, 与其高电导率关系恰好相反, 这也符合Seebeck系数 α与电导率 σ成反比的关系。另外, 所有样品Seebeck系数均随测试温度的升高先增加后减小, 与文献[14, 16]报道相符。这是由于随着温度升高, 没有电离完全的掺杂离子逐渐电离, 离化杂质浓度提高, 离化杂质散射因子变大, 导致Seebeck系数也相应增大; 但Se掺杂为浅能级掺杂, 当测量温度升高到一定程度时, 杂质能级即可电离为导带电子和价带空穴, 成为本征半导体[ 17]。随着测量温度升高而进入本征导电区以后, 样品中同时存在电子和空穴两种载流子, 如果继续升高测量温度便会出现Seebeck系数随温度升高而减小的结果。图5中Seebeck系数的转折即表明本征载流子的数量激增, 在高温端由本征导电引起Seebck系数减小的现象在400 K以上表现得尤为明显。

图5 不同Se掺杂量的Bi2Te3- xSe x块体的Seebeck系数随温度的变化关系Fig. 5 Temperature dependence of Seebeck coefficient for Bi2Te3- xSe x bulk samples being doped with different Se contents

图6是不同Se掺杂量的Bi2Te3- xSe x块体的热导率、晶格热导率随温度的变化关系。材料热导率( K)主要由载流子热导率( KC)和晶格热导率( KL)两部分组成, 即 K = KC+ KL。根据Wiedemann-Frantz定律, 载流子热导率与温度和载流子浓度成正比, 即 KC= LTσ。而对于强简并半导体, L通常取2.45×10-8W/(m·K)[ 14]。从图6(a)中可以看出: 随着Se元素掺杂量的增大, 样品的热导率逐渐减小, 从单相Bi2Te3的热导率平均值1.4 W/(m·K)逐步降到Bi2Te2.55Se0.45的1.0 W/(m·K)。当 x=0.45时, 总热导率在325 K时达到最小值0.9 W/(m·K)。热导率的显著降低是因为Se掺杂引起的合金散射不仅降低了样品的载流子迁移率, 并且增大了对声子的散射作用, 进而显著地降低了样品的晶格热导率, 如图6(b)所示。另外, 对于固溶体合金材料, 由于点缺陷的引入大大增加了对高频短波声子的散射, 高频声子对热导率的贡献明显减小。此时, 材料的晶格热导率主要来自低频声子的贡献, 晶界散射作用相对增加而变得重要, 从而减小了声子平均自由程和导热系数[ 2]

图 6 不同Se掺杂量的Bi2Te3- xSe x块体(a)热导率和(b)晶格热导率随温度的变化关系Fig. 6 Temperature dependence of (a) thermal conductivity and (b) lattice thermal conductivity for Bi2Te3- xSe xbulk samples being doped with different Se contents

根据实验测得的电导率、Seebeck系数以及热导率, 由公式 ZT = α2σT/ κ计算样品在测试温度范围内热电优值。从图7中可以看到, 样品的 ZT值总体上随温度升高先增大后减小。在整个温度区间,掺Se后块体的 ZT值明显高于单相Bi2Te3样品, 随着Se掺杂量的增加, 样品的 ZT值表现为先增大后减小。当掺杂量 x=0.3时, 样品具有最大的 ZT值, 平均约为0.51, 并在475 K时达到最大值0.57。

图7 不同Se掺杂量的Bi2Te3- xSe x块体的 ZT值随温度的变化关系Fig. 7 Temperature dependence of ZT for Bi2Te3- xSe x bulk samples being doped with different Se contents

3 结论

采用水热法合成不同Se掺杂量的Bi2Te3- xSe x纳米粉体, 采用放电等离子烧结技术, 制备出较高致密度的块体材料。通过研究不同Se掺杂量对Bi2Te3- xSe x微结构及热电性能的影响, 得出以下结论:

1) 随着Se掺杂量的增大, 粉体XRD特征峰向高角度偏移, 并且衍射峰出现宽化, 结合SEM和TEM表明晶粒尺寸逐渐变小; 块体样品具有较高的致密度, 所有样品的相对密度均在98.9%以上; 断口呈现出“台阶式”的解理, 表现为脆性的穿晶断裂;

2) 随着Se掺杂量的增大, 样品的电导率先增大后减小; Se元素的掺杂有效地降低了块体Bi2Te3基体的热导率, 并在一定程度上提高了材料的Seebeck系数; 在整个测试温度区间, 所有经过Se掺杂的样品 ZT值都高于未掺杂样品; 当Se掺杂量 x为0.3时, 样品具有最大的 ZT值, 平均约为0.51, 并在475 K时具有最大值0.57, 相比未经Se掺杂的Bi2Te3提高了159%。

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