纳米碲化铋、碲化锑的可控合成与性能研究

【摘要】碲化铋基合金(Bi2Te3、Sb2Te3、Bi2Se3)是一类非常重要的热电材料,一直受到广泛的研究。近几年,碲化铋又被发现是一种三维的拓扑绝缘体材料,更是引起了人们强烈的关注。拓扑绝缘体的材料内部不导电,呈现绝缘体材料的特性；材料表面电子可以自由移动,具有金属的导电性能。碲化铋基纳米片(Bi2Te3,Bi2Se3,Sb2Te3)被证实表面有良好的拓扑绝缘性能,是物理学研究的理想平台,因而碲化铋纳米片的合成成为了近期材料合成研究中的热点。在热电应用方面,大量实验已经证明材料的纳米化有助于热电性能的提高。要使材料具有高的热电性能,必须对材料生长进行控制,使生长的材料具有优化的组成和纳米形貌。因此,我们的工作主要集中在以碲化铋和碲化锑为研究对象,对材料的生长方向和形貌进行控制合成,使得到的纳米碲化铋,碲化锑材料在热电应用领域和拓扑绝缘体应用上拥有潜在的结构优势。在本文第一章节,首先简要介绍了热电材料和拓扑绝缘效应的基本概念,近期进展,以及材料潜在的应用。然后对纳米材料合成中的主要方法进行了介绍,通过了解不同反应方法在形貌控制上的优劣,进而提出了我们的实验设想。在论文第二部分,我们研究了化学气相沉积法制备锡掺杂的碲化铋纳米线的反应。通过对反应机理的研究,在高压(70KPa)和低压(3KPa)下分别合成了取向不同的单晶纳米线和纳米片,实现了生长方向的可控合成。高压反应中使用金,锡为共催化剂,制备了直径在100nm,具有六方晶格的单晶纳米线,反应中锡的存在是碲化铋纳米线形貌形成的重要的影响因素。低压反应中我们通过对气流的控制得到了不同形貌的纳米产物如纳米片,纳米带等,并对不同的形貌生成机理进行了研究。我们对合成的纳米线进行了拉曼振动行为的研究,发现制备的纳米线具有强的面外振动(Alu)模式。对单根纳米线的电学性能测试表明,锡掺杂的纳米线表现出金属性质,在300k时电导率为1.6x105S/m-1,高于传统的碲化铋块体材料。在论文第三部分,我们利用传统的水热合成的方法,分两步合成了具有独特形貌的碲管-碲化铋纳米片纳米异质结结构。反应中以第一步反应合成的碲纳米管作为形貌控制和自牺牲模板,第二步反应的过程涉及硝酸铋被降解后在碲管表面的成核过程。碲管-碲化铋纳米片纳米异质结产物长度为2-4μm,这一数值与第一步得到的碲管相同,异质结产物的直径达到200μm,超过了最初碲纳米管的直径。通过对反应关键因素的调控,合成了一系列形貌不同的纳米异质结产物,实现了纳米异质结形貌可控的合成。通过对反应过程中产物形貌变化的总结,提出了异质结生长的机理,认为还原剂水合肼的加入量,是决定反应形貌最关键的因素,形貌的变化取决于表面晶核的浓度及晶核各项竞争生长的过程。在论文第四部分,我们利用水热静置反应的方法,研究了碲化锑纳米片的合成反应。通过反应发现,200℃下用PVP作为软模板可以得到规整的六边形的碲化锑纳米片,纳米片的大小在1μm左右。通过对反应影响因素的调控发现,反应的温度和溶剂对形貌有较大的影响；通过加入不同的表面活性剂,合成了纳米棒等纳米形貌,初步实现了形貌的控制。
【作者】米刚；
【导师】郑耿锋；
【作者基本信息】复旦大学，无机化学，2013，博士
【关键词】热电材料；拓扑绝缘体；可控合成；碲化铋；碲化锑；纳米片；纳米线；纳米异质结；化学气相沉积；水热；两步法；溶剂热；

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