本文選題：電化學(xué)沉積 + 碲化鉍　； 參考：《北京化工大學(xué)》2015年碩士論文

【摘要】：熱電材料是一類性能優(yōu)越的功能材料,它能把熱能和電能直接轉(zhuǎn)換,對它的研究也日益受到重視。Bi-Te基化合物是已知的室溫下性能最好的熱電材料,通過低維化和合適的摻雜改性能進(jìn)一步提高材料的熱電性能。本研究通過成本低廉、工藝簡單、可宏量制備的電沉積方法在銅基底上制備了理想化學(xué)計量比的Bi2Te3納米熱電薄膜,探索了薄膜的電沉積工藝和析出機(jī)制,重點研究了表面活性劑溴化十六烷基三甲銨(CTAB)和第三摻雜組元Cu的加入對薄膜形貌結(jié)構(gòu)組成與熱電性能的影響。通過調(diào)節(jié)沉積電位、沉積時間、電解液濃度可實現(xiàn)對Bi2Te3薄膜形貌、結(jié)構(gòu)、成分的精準(zhǔn)控制,在-0.1V (vs.SCE),30min,7.5mM Bi3+和10mM HTeO2+條件下可以制得形貌良好、結(jié)構(gòu)均一并且具有理想化學(xué)計量比(Bi：Te=2：3)的熱電薄膜。此外本課題還深入探索Bi2 Te3納米熱電薄膜的析出機(jī)制,結(jié)果表明,Bi2Te3薄膜析出反應(yīng)是分步進(jìn)行的：Bi3+先得一部分電子生成中間價態(tài)的Bix+,隨后Bix+被還原得到Bi單質(zhì)；同時HTeO2+先吸附在基底表面,得一部分電子生成Tex+,Tex+再被還原得到Te單質(zhì)；最后單質(zhì)Bi和單質(zhì)Te結(jié)合生成Bi2Te3薄膜。本課題將CTAB作為一種特殊的添加劑應(yīng)用于改善電沉積法制備Bi2Te3熱電薄膜。X射線衍射、電子能譜、掃描電子顯微鏡的分析結(jié)果表明,在100mg·L-1 CTAB、7.5mM Bi3+、10mM HTeO2+和1mM HNO3的電解液濃度條件下,能制備出多孔片層狀并具有(110)晶面擇優(yōu)取向的熱電薄膜。熱電性能的測試結(jié)果表明CTAB的加入能使薄膜的電阻率降低5倍左右,塞貝克系數(shù)和功率因子也得到提高,薄膜的熱電性能明顯優(yōu)化。而電化學(xué)分析結(jié)果表明,電沉積過程時CTAB的極性部分會吸附在銅基底或者已形成的Bi2Te3顆粒表面而改變顆粒晶面的表面能,使得Bi、Te的沉積電位都發(fā)生了負(fù)移。這種作用使得薄膜不再單一地垂直堆疊生長,而是呈球狀顆粒均勻生長。本研究還將Cu作為第三摻雜元素制備了化學(xué)計量比組成為CuxBi2Te3的三元熱電溫差薄膜,并就Cu源摻雜濃度對薄膜形貌結(jié)構(gòu)組成的影響進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,Cu源的引入可以使形成薄膜的片層變薄,提升顆粒間致密性,并使材料的電阻率明顯下降,塞貝克系數(shù)和功率因子顯著升高,有效提升了其熱電性能。
[Abstract]:Thermoelectric materials are a kind of functional materials with superior performance. They can convert heat energy and electric energy directly. The study of thermoelectric materials has been paid more and more attention to. Bi-Te based compounds are known to be the best thermoelectric materials at room temperature. The thermoelectric properties of the materials can be further improved by low dimensional and appropriate doping modification. In this study, the Bi2Te3 nano-thermoelectric thin films with ideal stoichiometric ratio were prepared on copper substrates by electrodeposition method with low cost, simple process and macroscopical preparation, and the electrodeposition process and precipitation mechanism of the films were explored. The effects of cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) and the third doped component Cu on the morphology and thermoelectric properties of the films were studied. By adjusting the deposition potential, deposition time and electrolyte concentration, the morphology, structure and composition of Bi2Te3 thin films can be precisely controlled. The morphology of Bi2Te3 films can be obtained under the conditions of -0.1V / v / s. A homogeneous thermoelectric film with an ideal stoichiometric ratio of 2: 2: 3). In addition, the precipitation mechanism of Bi2 Te3 nano-thermoelectric thin films is also explored. The results show that the precipitation reaction of Bi2Te3 thin films is a step by step reaction: first, a portion of electrons are obtained to form intermediate valence Bix, and then Bix is reduced to Bi simple mass. At the same time, HTeO2 is first adsorbed on the substrate surface, and some electrons are generated by Tex Tex and then reduced to Te. Finally, Bi and Te are combined to form Bi2Te3 thin films. In this paper, CTAB was used as a special additive to improve the electrodeposition of Bi2Te3 thermoelectric thin films. The results of X-ray diffraction, electron spectroscopy and scanning electron microscopy showed that under the conditions of 100mg L-1 CTAB 7.5mm Bi3 Bi3 10mm HTeO2 and 1mM HNO3 electrolyte concentration, The thermoelectric thin films with layered porous sheet and preferred orientation of crystal plane (110) can be prepared. The test results of thermoelectric properties show that the resistivity of the films can be reduced by about 5 times with the addition of CTAB, and the Seebeck coefficient and power factor are also improved. The thermoelectric properties of the films are obviously optimized. The results of electrochemical analysis show that the polar part of CTAB is adsorbed on the copper substrate or on the surface of formed Bi2Te3 particles during electrodeposition, and the surface energy of the grain surface changes, which results in the negative shift of the deposition potential of CTAB. Because of this effect, the thin films are grown as spherical particles instead of single vertical stacking. The ternary thermoelectric thin films with stoichiometric ratio of CuxBi2Te3 were prepared by using Cu as the third doped element, and the effect of Cu source doping concentration on the morphology and structure of the films was studied. The results show that the introduction of Cu source can thin the lamellar layer and improve the intergranular compactness, and the resistivity of the material decreases obviously, the Seebeck coefficient and power factor increase significantly, and the thermoelectric properties of the film are improved effectively.
【學(xué)位授予單位】：北京化工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TB34;TQ153

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本文編號：1963030