低维材料论文（精选3篇）
低维材料论文 篇1
实验室名称:低维材料及其应用技术教育部重点实验室(湘潭大学)
Key Laboratory of Low Dimensional Materials&Application Technology (Xiangtan University),Ministry of Education
实验室学术委员会主任:薛群基院士
实验室主任:周益春教授
联络人:蒋文娟
联系方式:Tel (Fax):0732-8298119 Email:amrp@xtu.edu.cn
实验室简介:
“低维材料及其应用技术教育部重点实验室”于2003年立项建设,2006年通过教育部验收。实验室以有重大应用背景的结构型、功能型和智能型的低维材料为主要研究对象,注重基础研究与应用研究相结合,宏观与微观相结合,为地方经济建设服务和提升学术地位相结合,对其制备、结构、宏微观性能、跨尺度模拟和实际应用过程中的关键技术进行研究。
实验室已形成3个具有特色的研究方向:1)金属镀层薄膜的制备及力学性能;2)铁电和光电薄膜的制备及性能表征;3)低维纳米结构的形貌演化。实验室有1个国家重点学科,3个博士后科研流动站。
实验室现有固定研究人员66人,其中博士生导师16人,教授22人,教育部长江学者1人,国家杰出青年科学基金获得者1人,全国教学名师1人,全国模范教师1人,全国优秀博士论文获得者1人,湖南省“芙蓉学者计划”特聘教授6人,教育部(新)跨世纪人才基金获得者6人。
师昌绪、李恒德、潘际銮、黄克智、白以龙等五名院士为实验室学术委员会顾问,薛群基院士任实验室学术委员会主任,丁文江、周建平为学术委员会副主任,崔俊芝院士等有关专家为学术委员会委员。
低维材料论文 篇2
文章全面、系统地介绍了近藤效应、近藤问题、近藤共振现象的起源和研究历史的发展过程,提供了一个清晰而准确的近藤物理问题的`图像.同时,文章还讨论了近年来近藤共振现象在各种低维电子关联系统中的实现.
作 者：张广铭 于渌 ZHANG Guang-Ming YU Lu 作者单位：张广铭,ZHANG Guang-Ming(清华大学物理系,北京,100084)于渌,YU Lu(中国科学院物理研究所,北京,100080;中国科学院理论物理研究所,北京,100080)
刊 名：物理 ISTIC PKU英文刊名：PHYSICS 年，卷(期)：2007 36(6) 分类号：O57 关键词：近藤效应 近藤问题 近藤共振 低维电子关联系统★ 石化系统党员个人总结
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低维材料论文 篇3
Bi2Te3 化合物及其固溶体由于具有高原子质量,降低了热导率,是当前常温下热电性能最好的材料之一,其室温下的最佳热电优值ZT≥1。目前大多数热电制冷元件均采用这类材料[2]。低维化是提高热电材料性能的有效途径之一,Bi2Te3基热电材料的低维化和掺杂改性是当前的研究热点,各国科学家都进行了大量研究,采用不同的方法和思路合成了Bi2Te3基热电材料,并在进行掺杂改性的同时力争使其纳米化、低维化,从而在改变能带结构的同时改善其输运特性,较大幅度地提高ZT值。本文正是以低维纳米结构Bi2Te3基热电材料为研究对象,综述了其最新研究进展。
1 二维纳米薄膜的研究进展
对Bi2Te3基二维薄膜的研究主要集中于量子阱和超晶格。由于超晶格的结构特点,载流子能带分裂为许多子能带,产生不同于常规半导体的输运特性,如其电子和空穴迁移率都比块体材料大[3] 。而且由于量子阱的结构特点,载流子在输运过程中会出现空间限制,载流子态密度也会发生相应的改变,从而达到提高材料热电性能的目的[4]。
2001年报道的Bi2Te3和Sb2Te3的纳米结构的超晶格在300K时的ZT值为2.4,这一材料是通过提高垂直膜面方向的载流子传导率和降低晶格热导率来提高ZT值[5]。从Bi2Te3的发展历史看,这是短时间内的巨大飞跃。K. Raja-sekar等运用热蒸发镀膜技术在玻璃基板上合成了Sb2Te3 和(Sb2Te3)70(Bi2Te3)30薄膜,霍尔系数的测定表明薄膜常温下具有半导体的性能,对Seebeck常数的测定与分析表明所得薄膜具有更高的热电优值[6]。Hirofumi Ebe等在AlCl3-NaCl-KCl的熔盐中电沉积Bi2Te3纳米薄膜发现,含有0.025mol SbCl3时,恒电压下可获得纯Sb的沉积层;将SbCl3换为0.025mol BiCl3 或者0.025mol TeCl4时,同样条件下并没有获得纯Bi和Te的稳定沉积层;将BiCl3 和 TeCl4同时添加到熔盐中,相同条件下可得到Bi2Te3和BiTe合金薄膜[7]。Wen Zhu等通过电化学原子层外延法(EC-ALE)制备出Bi2Te3薄膜,其光能带隙相比块体材料发生了蓝移,场发射扫描电镜下发现沉积物由无数的薄片组成,并且彼此交织在一起[8]。最近该课题组又报道了运用EC-ALE技术合成Bi2Te3/Sb2Te3半导体超晶格薄膜的新方法。所制得的Bi2Te3/Sb2Te3半导体超晶格薄膜有18个周期,周期宽度约为23nm,带隙宽度为0.15eV[9]。S. Michel等报道了一种以不锈钢为基底阴极电沉积法合成Bi2(Te1-xSex)3薄膜的方法,通过调整沉积电压或者电流密度,可获得Bi相对于Bi2(Te0.9Se0.1)3过剩或者不足的产物,同时他们发现Bi1.98Te2.67Se0.39薄膜具有n型半导体的特性[10]。尽管许多研究表明改变电压和电流密度能够电沉积合成不同形态的Bi-Te薄膜,但是关于晶粒生长机理、电结晶化过程等问题的研究并不透彻。李敬锋等对直流电沉积Bi-Te薄膜的合成机理做了深入系统的研究,选择溅射了一层Pt的Si(100)晶片作为电沉积的衬底,通过改变沉积电压和电解液离子浓度能够强烈影响Bi-Te薄膜的微观结构。当Bi3+的浓度为7.5mmol/L、HTeO2+的浓度为10mmol/L时,能够获得Bi-Te化学剂量比约为2∶3、择优取向为(110)、表面有盘状小颗粒形态的薄膜。颗粒密度和择优取向随厚度的改变而改变。当Bi3+ 和HTeO2+的浓度比减小为1.25∶1时,薄膜的组成相变为BiTe,择优取向也变为(014)[11]。
2 一维纳米线、纳米管、纳米棒的研究进展
理论计算表明,由于量子限制效应增强,一维量子线比二维量子阱在ZT上的提高更大。目前,制备一维Bi2Te3基纳米结构的方法主要有模板法、液相法、流电取代法等。
2.1 模板法
模板法是近些年来合成一维纳米材料的一种常用的方法。模板法根据其模板自身的特点和限域能力的不同可分为硬模板和软模板2种。硬模板主要是指一些具有相对刚性结构的模板,如阳极氧化铝膜(AAO)、多孔硅、分子筛、胶态晶体和碳纳米管等。
由于AAO膜的孔径、孔间距及膜厚可控,热稳定性优异,合成的一维纳米结构材料有序、均一,有利于实现热电材料器件微型化,因此国内外的课题组一般采用氧化铝模板(AAO)生长Bi2Te3基纳米线阵列[12]。中科院固体物理研究所的张立德等运用脉冲电沉积方法在氧化铝模板中合成了高填充率、高指向、有序的单晶Bi2Te3纳米线阵列。电传导测量显示直径为40nm和60nm的Bi2Te3纳米线阵列都表现出典型的半导体特性,并且前者的电阻值比后者的电阻值受温度的影响更小[13]。美国California大学 Berkeley分校的Lynn Trahey等在温度为1～4℃、孔径为35nm的氧化铝模板中,用脉冲电沉积法制备了填孔率高达93%、长度在62～68μm之间的[110] 晶向的Bi2Te3纳米线阵列,这是热电材料应用的理想方向。同时,相同高度的纳米线阵列使得在微器件中连接巨大数目的纳米线,最大程度地提高器件的性能成为可能[14]。Jongmin Lee等选用AAO模板,分别对恒流、稳压和脉冲电沉积等3种电沉积方法合成Bi2Te3纳米线进行了深入的对比研究,发现脉冲电沉积对合成均质、高度结晶化的Bi2Te3纳米线更有效,在脉冲间隔为30ms和50ms时可得到[110]晶向的纳米线,而且脉冲间隔越长合成的Bi-Te的原子比越接近2∶3[15]。Jue-Jie Zhu等在室温下运用恒压和恒流电沉积法在AAO模板中成功地合成了Bi2Te3-y-Sey (n-型) 和Bi2-xSbxTe3( p-型) 纳米管状结构,所合成的纳米管直径在200～220nm之间,管壁厚度在40～70nm之间,并且长度均一、排列有序[16]。中科大李晓光等报道了一种新颖、便捷地合成Bi2Te3/Te多重异质节结构超晶格纳米线的方法。他们首先在两步阳极氧化法合成的AAO模板中,通过直流电沉积法合成了Bi0.26Te0.74,然后进行退火处理得到超晶格纳米线。为了了解出现这种结构的机理,他们对退火温度和时间等影响因素进行了深入研究,发现当退火温度为120℃、时间为300min时,纳米线上出现黑色区域(SAED分析为析出的Te);随着退火温度(120～300℃)的进一步升高,黑色区域越来越大;当温度为300℃时黑色区域占据纳米线的一节,长度为30～40nm,而纳米线剩余灰色部分经SAED分析为Bi0.41Te0.59,原子比接近2∶3,形成了Bi2Te3和Te交替连接的多重异质节结构超晶格纳米线[17]。
近些年来又有文献报道了运用聚碳酸酯膜作为模板合成Bi2Te3基纳米线。加州大学的Feng Xiao等以微孔聚碳酸酯膜为模板电沉积(Bi1-xSbx)2Te3纳米线,发现沉积条件对纳米线的组成、晶体结构以及电性能都有非常大的影响。沉积电势为-20mV时,晶体的择优取向为[110];沉积电势为-100mV时,晶体的择优取向变为[15]。电传输测试表明电阻率随温度的升高而降低,说明所合成的纳米线具有半导体性能[18]。Nosang V等以微孔聚碳酸酯膜为模板,采用直流电沉积法,成功地合成了直径约为50nm、长度约为90nm和60nm的Bi2Te3/(Bi0.3Sb0.7)2Te3超晶格纳米线。由于每一种离子的还原电势都不相同,所以合成如此复杂的超晶格纳米线很困难。他们运用线性扫描伏安法细致地分析了沉积电势对沉积物成分的影响,通过分析发现当沉积电势为-20mV和-100mV时可以分别得到Bi2Te3和(Bi0.3-Sb0.7)2Te3的纯相;然后通过调整沉积时间,获得了这种复杂超晶格纳米线结构[19]。
2.2 液相法
液相法是依据化学手段在不需要复杂仪器的条件下,通过简单的溶液过程就可对材料的微结构和性能进行选择控制合成。与传统的固相法相比,液相法具有成本低、反应条件温和、可操作性高、并可以制备各种复杂形貌等特点[20]。目前,国内外许多课题组利用这种方法合成了一维Bi2Te3基热电材料。
Arup Purkayastha等继2006年报道采用一步无模板、低温(100℃)、水热合成Bi2Te3纳米棒[21]的方法之后,又报道了一种合成Bi2Te3的新方法。他们利用生物分子活性剂——L-谷胱甘肽酸(LGTA)与[Bi3+]在硝酸溶液中形成配合体Bi-LGTA,然后加入碲酸溶液,搅拌均匀后,加入到预热好的乙二醇和聚乙二醇的混合溶液中,于140℃或195℃回流反应24h,最终合成了核壳结构的Bi2Te3/Bi2S3纳米棒[22]。
浙江大学赵新兵等继2004年报道采用水热法合成Bi2Te3纳米管之后[23],又报道了采用低温化学工艺合成Bi2Te3纳米管的新方法。他们以Te粉和BiCl3作为反应物,NaBH4作为还原剂,于340K合成了直径约为100nm、长度为0.5～1μm的Bi2Te3纳米管。他们认为首先生长的Bi2Te3层之间是依靠范德华力结合在一起,而在边界处Bi和Te是以结合力更强的共价键形式结合,溶液中的离子更易与边界处的原子结合,因此Bi2Te3膜逐渐扩展,当Bi2Te3膜长到一定大小时弯曲形成管状结构,然后逐渐生长,并最终生长为一维Bi2Te3纳米管[24]。
2.3 其它方法
近几年来又有一些新的方法不断被报道出来。加州大学的Feng Xiao等报道了采用电解液中电流取代镍纳米线合成Bi2Te3纳米管的方法。他们利用Ni的还原电势低,通过精确调整电解液中[Bi3+]和[HTeO2+]的浓度比,获得了Bi2Te3纳米管状结构。同时他们还设计制作了用单根Bi2Te3纳米管连接的微型装置。先把具有磁性的Ni纳米线搭在金电极上,然后将其放入还原气氛中(5% H2+95% N2)于500℃退火2h,使Ni纳米线与电极结合更紧密,最后放入[Bi3+]和[HTeO2+]的电解液中,通过电流取代获得了单根Bi2Te3纳米管连接的微型装置[25]。这是一种非常新颖的合成方法,它将材料合成与器件的制作直接联系起来,使得利用Bi2Te3纳米管作为连接材料制作微型热电器件成为可能。
3 准零维纳米颗粒的研究进展
尺寸约为声子平均自由程的纳米颗粒对声子具有强烈的散射作用,从而导致热导率降低,而且由于电子的平均自由程比纳米尺寸大得多,电导率不受影响[26],因此合成并掺杂尺寸约为声子平均自由程的纳米颗粒,对于提高材料热电性能是非常有帮助的。目前,国内外许多课题组都在进行这方面的研究,合成出许多不同结构的纳米颗粒。
浙江大学的赵新兵等水热合成了La掺杂Bi2Te3花状纳米结构[27](480K时其ZT值为0.58)。西南交通大学的Ya Jiang等用TeO2或者Te粉、硝酸铋、硝酸在乙烯基乙醇和水的混合溶液中于150℃放置30min得到了直径为50～100nm孔球状Bi2Te3和长度为100～300nm锯形Bi2Te3,发现如果用NaOH 溶液代替HNO3在相同的条件下并不能获得纯相Bi2Te3[28]。Wang Zhonglin等报道了一种利用高温有机溶液合成离散、单晶、无缺陷Bi2Te3纳米盘的方法,所合成的纳米盘大小均一、厚度均匀。同时他们还利用两步外延生长法制备了棒状Bi2Te3纳米盘串,首先,快速合成[1]方向的Te纳米棒,然后在棒壁上成核并外延生长Bi2Te3,所生成的盘部分地嵌入到Te棒中,其法向也为[1]方向。这种新型的结构在纳米级小平面上包含有相界,有望获得更高的ZT值[29]。华中科技大学的X A Fan等运用微波辅助的湿化学方法合成了边长在0.5～2μm之间、厚度小于100nm的六角盘状结构的Bi2Te3纳米盘。将其添加到n型Bi2Te3粉末中,当Bi2Te3纳米盘占到总质量的15%时,热传导率降低了18%。初步研究发现添加纳米级Bi2Te3会减小热传导而增加热电效率[30]。
3个维度的尺寸都在100nm以下,外观恰似一极小点状物的纳米颗粒(量子点)[31]周期性排列,组成量子点超晶格结构。由于量子点的尺寸大小、相互位置和体积分数会影响电子和声子传输,通过排列量子点的尺寸大小和位移,可以任意调整量子点的电性能和热性能。同时在超晶格中由于能带的折叠效应,会使能带结构和载流子的有效质量发生变化,产生不同于常规半导体的输运特性,提高态密度,从而提高载流子的浓度,而且电导率也随之提高[32]。改变几个重要参数可大大提高材料的ZT值,所以合成量子点超晶格材料是提高材料热电性能又一极为重要的途径。2002年T. C. Harman等曾报道用分子束外延合成PbSnSeTe量子点超晶格材料,当温度为300K时,ZT值可达2.0[33]。可以说这是一个非常大的突破。然而由于合成方法和条件的限制,现在还没有合成出Bi2Te3基量子点超晶格热电材料。相信随着技术的发展,这种具有高热电优值的Bi2Te3基热电材料会很快出现。
4 低维纳米复合结构的研究进展
复合材料由两相或多相物质混合制成。复合材料所具有的性能是其组成材料单独存在时所不具有的。由纳米级别(1～100nm)相组成的复合材料,由于存在小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应及宏观量子隧道效应可以很强烈地影响材料的宏观性能,因此向块体材料中添加纳米结构材料是改进并提高块体材料热电性能一种非常好的途径[34]。
清华大学的李敬锋等采用机械合金化工艺和放电等离子烧结工艺制备出纳米SiC(平均直径约为30nm)弥散分布的Bi2Te3热电材料,研究发现少量(体积分数不大于1.0%)纳米SiC的加入对Bi2Te3电学性能有很大影响;虽然随着SiC含量的增加电导率有所降低,但Seebeck系数得到了提高。当加入0.1%SiC时,Seebeck系数和功率因子达到最大值,材料的热电优值达到1.04,均高于纯Bi2Te3试样。随着SiC含量的进一步增加,Seebeck系数和功率因子下降。显微硬度随着纳米SiC含量的增加也得到提高。综合实验结果表明极少量纳米SiC颗粒的加入可以提高Bi2Te3的电学性能和力学性能[35]。
5 结语
理论和实验研究表明热电材料的低维纳米化可望大幅度提高材料的热电优值。尽管还没有以低维材料为基础的器件接近商业化,但是已激发了人们对于低维材料在热电应用方面的研究兴趣。今后对于低维材料在热电应用方面的研究将重点集中在以下几个方面:(1)更加深入地研究和探索纳米热电材料的热电传输机理,并完善热电理论体系,为寻求更高ZT值的新型热电材料提供合理的理论指导。(2)加强各种制备方法的研究力度,把各种优化工艺结合起来,综合处理,以合成具有更优性能的热电材料。(3)加强器件的制备工艺研究,以实现低维热电材料的产业化。(4)由于低维纳米结构尤其是纳米线阵列热电材料的厚度仅有数微米至100μm,常规的性能测试技术完全不适用,严重制约了低维热电材料的发展,所以加强低维热电材料性能测试技术的研究也是今后研究的重点。
摘要：Bi2Te3及其固溶体合金是目前室温附近发展最为成熟、性能最好的一类热电材料,在热电制冷及温差发电方面具有广阔的应用前景。如何最大限度地提高材料的热电优值是当今热电材料研究的主要问题。传统块体Bi2Te3基热电材料的最高ZT值只能达到1.0左右,而低维化、纳米化的Bi2Te3基热电材料可使电子和声子的传输得到合理调控,从而大幅提升材料的热电性能。综述了二维纳米薄膜、一维纳米线(管、棒)和准零维纳米颗粒等低维Bi2Te3基热电材料的最新研究进展,并结合目前的研究状况展望了今后的研究重点及发展方向。