Bi_2Se_3、Bi_2Te_3和Sb_2Te_3的声子和热力学性质的第一性原理研究

基于第一性原理的密度泛函理论,在未考虑和考虑自旋-轨道耦合(SOC)的情况下分别优化拓扑绝缘体Bi2Se3、Bi2Te3和Sb2Te3的结构,计算它们的声子谱及热力学性质.基于广义梯度交换相关泛函及SOC效应,计算得到三种物质的声子频率比不考虑SOC时更吻合实验数据.最后计算出三种物质的赫尔姆赫兹自由能F,内能E,等体热容CV和熵S随温度的变化趋势.     

Bi_2Se_3、Bi_2Te_3和Sb_2Te_3的声子和热力学性质的第一性原理研究

基于第一性原理的密度泛函理论,在未考虑和考虑自旋-轨道耦合(SOC)的情况下分别优化拓扑绝缘体Bi2Se3、Bi2Te3和Sb2Te3的结构,计算它们的声子谱及热力学性质.基于广义梯度交换相关泛函及SOC效应,计算得到三种物质的声子频率比不考虑SOC时更吻合实验数据.最后计算出三种物质的赫尔姆赫兹自由能F,内能E,等体热容CV和熵S随温度的变化趋势.     

化学镀Zn对n型Bi2Te2.4Se0.6合金热电性能的影响

为了研究化学镀Zn对n型Bi2Te2.4Se0.6材料的热电性能的影响及作用机制,采用化学镀法制备n型Zn/Bi2Te2.4Se0.6纳米粉体,并结合放电等离子烧结烧制成块体材料,n型Zn/Bi2Te2.4Se0.6热电材料的Seebeck系数(SS)提升,热导率显著降低,其中0.15％Zn/Bi2Te24Se06的热导率最低,在371 K达到最小值0.74 W/(m·K),这是由于载流子浓度的降低引起电子热导减小,以及第二相和晶界增多引起声子散射造成晶格热导降低.结果表明,0.15％Zn/Bi2Te2.4Se0.6的热电优值(ZT)有很大的提升,在421 K达到1.06.     

溶剂热法合成Bi2Te3低维纳米结构及其表征

以NaBiO3·2H2O和Te粉为反应物,聚乙烯吡咯烷酮(PVP K130)为形状调控剂,通过溶剂热法合成具有不同形状的Bi2Te3纳米低维结构.系统研究了反应溶剂、反应温度和时间对Bi2Te3纳米低维结构的形状有显著影响.研究结果表明,反应溶剂、反应温度和时间对Bi2Te3纳米低维结构的形状有显著影响.用聚乙烯吡咯烷酮(PVP K130)作形状调控剂,在乙二酵(EG)中于200℃下反应45小时,成功合成了Bi2Te3纳米方块.用X射线粉末衍射和透射显微镜技术对所制备纳米晶的成分、晶相、形状和尺寸进行了表征分析.     

半导体热电材料Bi2Te3膜的电化学制备

研究了不同沉积电位对电化学生长半导体热电材料Bi2Te3膜沉积过程、膜形貌、结晶性及相结构的影响。利用I-V循环扫描曲线分别研究了纯Bi3 、纯Te4 及其两种离子的混合溶液电化学特性;应用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、电子能谱(EDS)对膜的微观表面形貌、相结构及成分进行了表征。研究表明:生长的样品为斜方六面体(rhombohedral)晶体结构的Bi2Te3,薄膜表面平整致密,为明显的柱状晶结构,具有(110)择优取向;沉积电位越接近还原峰最大电流处,膜的生长电荷效率越高,薄膜结晶性也越好。     

拓扑绝缘体Sb_2Te_3和Bi_2Te_2Se薄膜电子结构的第一性原理研究

为理解拓扑绝缘体纳米薄膜的电子性质,采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法系统研究拓扑绝缘体Sb2Te3和Bi2Te2Se密排面(0115)薄膜由1层增加到5层的电子结构。通过计算发现对于Sb2Te3密排面(0115)薄膜,随着薄膜层数递增,G点的能隙逐渐减小,当膜厚为5层时,薄膜表现出金属态;Bi2Te2Se密排面(0115)薄膜电子结构也表现出类似的特性。研究结果表明:随着薄膜厚度的增加,Sb2Te3和Bi2Te2Se(0115)薄膜不具有体材料绝缘性,却表现出拓朴绝缘体表面无能隙的金属性。     

Bi,Se和Te吸附n/p型石墨烯电子结构研究

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了Bi,Se,Te在缺陷(单空位,B掺杂和N掺杂)石墨烯上的吸附结构及电子和磁性质.研究表明:在能量稳定的Bi(Se)/石墨烯吸附体系中,Bi吸附诱导产生磁性;在空位缺陷石墨烯上的吸附会改变费米能级处态密度分布,影响体系的导电性质;在B(N)掺杂吸附体系中,B比N对吸附原子的影响大;除Se在B掺杂石墨烯上吸附外,Bi,Se,Te在其它n/p型掺杂吸附体系中均显示磁性.缺陷增强了Bi,Se,Te与石墨烯之间的相互作用,对吸附体系的电子结构和电荷分布有较大的影响.     

第一性原理研究Bi2Te3材料及在应变作用下的电子结构变化

通过第一性原理系统地研究了Bi2Te3块体和薄膜的电子结构及其在应变下的电子结构变化。计算结果表明:Bi2Te3块体属于直接带隙半导体,宽度约为0.177eV,Bi2Te3单QL(Quintuplelayer)薄膜则呈现间接带隙特征,带隙值约为1.031eV;在不超过3%的应变作用下,块体和薄膜材料的能带结构不受影响,但带隙宽度随应变增加成线性变化关系。
     

Bi0．5Sb1.5Te3热电材料掺杂对其性能的研究

通过熔炼、机械粉碎、热压法制备了Bi0.5Sb1.5Te3（三碲化二铋、三碲化二锑固溶体,比例为1∶3）热电材料,研究了不同掺杂浓度对材料性能的影响。材料的XRD图谱显示,随着Te浓度的增加,衍射峰后移。性能测试表明,随着Te浓度的增加,材料的温差电动势率增高,电导率下降,这说明Te浓度对材料的热电性能有重要影响。     

Microstructure and phase composition of hypoeutectic Te–Bi alloy as evaporation source for photoelectric cathode

A hypoeutectic 60Te–40Bi alloy in mass percent was designed as a tellurium atom evaporation source instead of pure tellurium for an ultraviolet detection photocathode. The alloy was prepared by slow solidification at about 10-2 K·s-1. The microstructure, crystal structure, chemical composition, and crystallographic orientation of each phase in the as-prepared alloy were investigated by optical microscopy, scanning electron microscopy, X-ray diffraction, electron backscatter diffraction, and transmission electron microscopy. The experimental results suggest that the as-prepared 60Te–40Bi alloy consists of primary Bi₂Te₃ and eutectic Bi₂Te₃/Te phases. The primary Bi₂Te₃ phase has the characteristics of faceted growth. The eutectic Bi₂Te₃ phase is encased by the eutectic Te phase in the eutectic structure. The purity of the eutectic Te phase reaches 100wt% owing to the slow solidification. In the eutectic phases, the crystallographic orientation relationship between Bi₂Te₃ and Te is confirmed as [0001]_Bi2Te3//[1213]_Te and the direction of Te phase parallel to [1120]_Bi2Te3 is deviated by 18° from N(2111)_Te.     

Bi2Te3/Si异质结中的侧向光伏效应

碲化铋(Bi₂Te₃)是一种典型的拓扑绝缘体材料,在热电、光电和自旋电子学领域具有广阔应用前景.本文采用脉冲激光沉积技术在Si衬底上制备了不同厚度的Bi₂Te₃薄膜,详细研究了Bi₂Te₃/Si异质结中的侧向光伏响应特性.结果表明,该异质结的侧向光伏响应强烈依赖于Bi₂Te₃层厚度,随厚度增加呈现先快速增加至一极值,然后逐渐减小的变化趋势.用不同波长和功率的激光照射测量时发现,该异质结具有405~808 nm的较宽响应波段,且位置灵敏度随激光功率增加而增大并最终趋于饱和,其中671 nm的侧向光伏响应性能最好,最高位置灵敏度达到3.4×10^-2 V/mm.以上结果为研发基于Bi₂Te₃的高灵敏、宽波段光位敏探测器提供了重要参考.     

Preparation and thermoelectric properties of p-type Bi0.52Sb1.48Te3 + 3% Te thin films

Thin films of p-type Bi0.52Sb1.48Te3 + 3% Te were deposited on glass substrates by flash evaporation.X-ray diffraction and field-emission scanning electron microscopy were performed to characterize the thin films,and the effects of preparation and annealing parameters on the thermoelectric properties were investigated.It was shown that the power factors of the films increased with increasing deposition temperature.Annealing the as-deposited films improved the power factors when the annealing time was less than 90 min and the annealing temperature was lower than 250℃.A maximum power factor of 10.66 μW cm-1 K-2 was obtained when the film was deposited at 200℃ and annealed at 250℃ for 60 min.     

Bi2Te3基热电材料的电输运性能研究进展

Bi₂Te₃基化合物是热电领域的代表性材料之一,被广泛应用于余热发电、固态制冷、温度探测等方面.该类材料具有复杂的能带结构,利用强自旋轨道和能带反转,有望对Bi₂Te₃基材料的热电性能实现优化.通过分析对比近些年Bi₂Te₃基材料的能带结构计算数据与部分实验结果,总结了Bi₂Te₃、N型Bi₂Te_3-xSe_x和P型Bi_2-xSb_xTe₃材料的能带结构的特点,影响能带结构以及电输运性能的关键因素.相关结论将为提高Bi₂Te₃基材料的热电性能提供依据.     

射频磁控溅射制备碲化铋热电薄膜性能研究

利用射频磁控溅射制备了N型Bi2Te3薄膜,并测量其在不同温度、不同膜厚度条件下的Seebeck系数和电导率。室温条件下,不同厚度Bi2Te3薄膜Seebeck系数约为-150μVK-1,当温度为53℃时,5.1μm厚的薄膜Seebeck系数为-267μVK-1,而1.5μm厚的薄膜Seebeck系数为-142μVK-1。利用扫描电镜和X射线衍射仪研究了薄膜的微结构,当薄膜厚度增加时,晶粒尺寸越大。薄膜厚度为1.5μm时,晶粒尺寸为800nm,5.1μm时,晶粒尺寸为1 300nm。X射线衍射仪的分析结果表明,射频磁控溅射制备的N型Bi2Te3薄膜为菱方结构。     

Improving thermoelectric properties of p-type Bi2Te3 -based alloys by spark plasma sintering

High-performance (Bi2Te3)x(Sb2Te3)1?x bulk materials were prepared by combining fusion technique with spark plasma sintering, and their thermoelectric properties were investigated. The electrical resistivity and Seebeck coefficient increase greatly and the thermal conductivity decreases signi ficantly with the increase of Bi2Te3 content, which leads to a great improvement in the thermoelectric figure of merit ZT. The maximum ZT value reaches 1.33 at 398 K for the composition of 20%Bi2Te3-80%Sb2Te3 with 3% (mass fraction) excess Te.