23 快速合成的n型Pb1-xBixTe合金具有低导热率和高品质因数

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这篇由山东大学等的研究学者完成，讨论快速合成的n型Pb1-xBixTe合金具有低导热率和高品质因数的论文，发表在二区重要期刊《Dalton Transactions》，影响因子：4.099。

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

采用低温快速合成法制备了n型PB1−xBixTe合金；研究了Bi掺杂和微波水热工艺对显微结构和热电性能的影响；Bi在PbTe中的固溶极限为x=0.02~0.03；采用微波水热法合成了70 nm左右的均匀纳米粒子。

在热压条件下，PB1−xBixTe合金也形成了亚微米级晶粒尺寸。随着Bi含量的增加，载流子浓度在溶解度极限范围内提高，这导致低电阻率和较高的功率因数在高温。在623K时，x=0.02样品获得了较高的功率因数为8.5μW cm−1 K−2。此外，Bi的引入有效地抑制了原始PbTe的p-n转变和双极热导率。因此，在673 K下，结合合金、晶界、位错和缺陷的散射，获得了0.6 8W m−1 K−1的低晶格热导率。

结果表明，Pb0.98Bi0.02Te样品在673 K处获得最高峰值，即zT=0.62，与传统熔炼法合成的掺铋PbTe合金相当。因此，适当的微波水热法合成条件可以迅速得到具有类似性能的热电材料。

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结论

采用微波水热法和热压法快速合成了x=0.00、0.01、0.02、0.03和0.04的n型PB1−xBixTe合金。所有样品均形成了单晶结构、致密的显微结构和均匀的元素分布。确定了Bi在PbTe中的固溶极限为x=0.02~0.03。Bi掺杂样品的大部分晶粒尺寸为亚微米级，小于纯PbTe的晶粒尺寸，随着Bi含量的增加，载流子浓度逐渐提高，直到溶解度极限，在x=0.02和0.03处电阻率最低。Bi掺杂的Seebeck系数为负值，且随Bi含量的变化与载流子浓度的变化一致。在此基础上，在x=0.02的623K下，获得了8.5μW cm−1 K−2的最大功率因数值。由于Bi的引入禁止了双极热导，所以随着温度的升高，晶格热导率仍然很低。此外，还引入并强化了合金、晶界、位错和缺陷的散射。结果表明，Pb0.98Bi0.02Te合金在673 K时晶格热导率最低，为0.68W m−1 K−1。结果表明，提高的高温功率因数和最低的晶格热导率使Pb0.98Bi0.02Te在673 K时获得了zT=0.62的最高值。这一优点与传统熔炼法合成的掺铋PbTe合金相当。因此，在优化的反应条件下，微波水热法可快速制备出具有类似热电性能的n型PB1−xBixTe合金。

祥鹄仪器在本论文中的使用过程

在一种典型的PbTe纳米粒子的合成中，分别在50 mL去离子水中加入2g NaOH、1.9788 g PbN_2O_6、1.3646 g Na2TeO_3和0.6g NaBH_4(对掺铋的PbN_2O_6样品加入比例的BiCl_3)。将该溶液转移到80 mL聚四氟乙烯高压釜中，在微波水热合成器(XH-800s，北京祥鹄科技发展有限公司)中，以10°C min−1的升温速率，加热至140°C，30 min。产品自然冷却到室温，然后用去离子水和乙醇离心洗涤几次。在此之后，这些洗过的产品在真空烤箱中干燥成粉末。用773 K热压烧结得到的PbTe纳米粒子，在20 MPa条件下烧结1h。最后，合成了相对密度大于97%的PB1−xBixTe样品。