通过超快速微波水热法合成SnTe纳米晶体以提高热电性能

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这篇由中国石油大学石油加工与材料科学工程国家重点实验室研究学者完成的，通过超快速微波水热法合成SnTe纳米晶体以提高热电性能的论文，发表在《纳米能源》上，其影响因子为13.12。

近年来，微波化学仪器用于材料合成的研究工作已经成为科学研究的热门方向，受到广大学者的极大关注！

摘要

SnTe是IV-VI半导体的重要成员，SnSe和PbTe作为两种具有代表性的热电材料，由于其类似于PbTe的岩盐晶体结构，被认为是一种具有潜在吸引力的热电材料。然而，由于SnTe在形貌和尺寸控制方面的困难，目前对SnTe的研究还很有限，由于其高的热导率，其热电性能也很低。本研究设计了一种简单、超快的微波水热法合成由微尺度到纳米尺度的可控尺寸的SnTe粒子。

在较宽的温度范围内，研究了放电等离子烧结制备的SnTe块体材料的热电性能，重点研究了其尺寸效应。由于纳米尺寸效应导致声子散射增强，热导率低，0.60Wm。1K1在803K时，用165-nm纳米粒子在体试件中获得.在803K时，相应的最大ZT值提高到0.49，约为机械合金化SnTe块体样品的2.3倍。

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热电(Te)材料在过去几十年中不仅因其具有优异的余热发电能力，而且在固态制冷[1-4]中具有广阔的应用前景而引起了人们的广泛关注。SnSe单晶的ZT值达到2.6，这无疑是目前材料中最好的TE性能。SnTe作为IV-VI半导体的另一个成员，不仅是一种无铅材料，而且具有与PbTe晶体相似的晶体和能带结构，被认为是最有前途的热电材料之一。然而，最近的研究表明，SnTe晶体的ZT值仍然很低，因为它们本身具有较高的热导率(通常大于2.5Wm)。

在本研究中，研究员设计出一种简便、超快、绿色、高产的微波水热合成纳米粒子(NPs)。系统地讨论了定向附着生长机理和形貌控制技术。为了进一步验证和理解纳米尺寸效应，还采用球磨结合放电等离子烧结(SPS)相结合的方法制备了SnTe参比样品。

与纯SnTe块体材料的热电性能比较，超低导热系数(1.5 W m)。1 K1至0.60西米1 K1，323-800 K，相对较高的Seebeck系数(58-90μV K)在平均直径为165 nm的NPs烧结样品中发现，ZT值较高(803K时约为0.49)，这与声子散射增强和能量过滤效应增强有关。

图一↑

图一： (a)微波水热合成系统：(b)温度曲线作为反应时间的函数，(c)SnTe纳米粒子的XRD图谱，(d)和(e)是不同倍率下的SEM图像，(f)是模拟SnTe纳米粒子的八面体结构；(g)、(h)和(i)是整体TEM、SEAD和HRTEM图像.

图二↑

图二： (a)、(b)和(c)是用0g，1.0g，1.25g NaOH合成的SnTe NPs的SEM图像; (d)是样品(a)和(c)的XRD图谱； (e)和(h)，(f)和(i)，(g)和(j)是用1.50g，2.50g，5.50g NaOH合成的SnTe粒子的SEM图像。

图三↑

图三： (a)SPS后样品的整体形貌，其嵌体分别为矩形柱和方形晶片，用于测试热电性能和霍尔测量： (b)为未掺杂SnTe参考样品的XRD图谱； (c)、(d)、(e)和(f)是从机械合金化粉末(c)或不同直径的颗粒(165 nm(d)、550 nm(e)和8.2 mm(f)烧结的致密试样上的详细扫描电镜图像。

图四↑

图四： 从165 nm、550 nm纳米粒子(NPs)、8.2mm微米颗粒(MPS)和机械合金化(MA)粉末中烧结的致密样品的性能曲线为： (a)总热导率， (b)晶格热导率， (c)电导率， (d)和(e)电输运机制， (f)空穴迁移率，载流子浓度和mmx*/0*比值，作为减小晶粒尺寸的函数， (g)Seebeck系数， (h)功率因数和(i)ZT值。

结论

利用声子散射理论和纳米尺度效应引起的能量滤波效应，系统地研究了纳米能量28(2016)78-86的性质。当直径从8.2mm减小到165 nm时，热导率显著降低。

极低导热系数，0.60W m1 K1在803K时，由于细化晶粒、晶界和点缺陷的干扰增强了声子散射效应，用165 nm纳米粒子烧结了致密样品。这一数值仅为参考样品的11.8%，是迄今为止未掺杂SnTe的最低热导率。

与参比样品相比，165 nm NPs样品在803 K处获得了较高的ZT值，为0.49，也高于其他工作。微波水热法、控制晶粒尺寸或形貌的技术以及纳米尺寸效应也为研究一类广泛的半导体热电材料的合成-结构-性质关系提供了新的见解。