簡述Bi₂Te₃納米材料的幾種合成方法

孫愛婷 朱會榮

摘 要：碲化鉍（Bi2Te3）是一種熱電材料，廣泛應(yīng)用于發(fā)電、制冷、廢熱利用等領(lǐng)域。同時Bi2Te3還具有拓?fù)浣^緣體的明顯特征，在計算機(jī)和通信領(lǐng)域也有著重要的作用。本文簡要介紹了碲化鉍的性質(zhì)及其應(yīng)用，同時也對碲化鉍納米材料的幾種常見的制備方法進(jìn)行了闡述。

關(guān)鍵詞：碲化鉍;水熱法;溶劑熱法;微波合成法;電化學(xué)沉積法

1. Bi2Te3簡介

碲化鉍是一種具有較好的導(dǎo)電性，較弱導(dǎo)熱性的半導(dǎo)體材料。此種材料可允許電子在室溫條件下無能耗地在其表面運動，這將給芯片的運行速度帶來飛躍式的提升。陳榆林、沈志勛等人通過研究證實，碲化鉍可大大提高計算機(jī)芯片的運行速度和工作效率1。使用現(xiàn)有半導(dǎo)體技術(shù)，此種材料即可允許電子在室溫條件下無能耗地在其表面運動，這將給芯片的運行速度提升至一個新的臺階，甚至可能會成為以自旋電子學(xué)為基礎(chǔ)的下一代全新計算機(jī)技術(shù)的基石。并且實驗結(jié)果表明1，碲化鉍可耐受比理論預(yù)測更高的溫度，這也意味著此種材料更接近于科學(xué)家想象中的應(yīng)用。同時，Bi2Te3及其衍生物是目前室溫條件下性能最好的熱電材料之一，其具有體積小、重量輕、堅固且工作中無噪音，對環(huán)境友好，使用壽命長等優(yōu)點。因此，如何高效的使Bi2Te3材料得到應(yīng)用是目前亟待深入研究的方向。而將Bi2Te3材料進(jìn)行納米化是一種重要的應(yīng)用途徑，各種形貌的Bi2Te3納米材料例如納米棒、納米花、納米盤、納米管、納米片等已經(jīng)被合成，使得其可利用性大大提高。下面我們來介紹幾種Bi2Te3納米材料的合成方法。

2. Bi2Te3材料合成方法

2.1水熱法

水熱反應(yīng)過程是指在密封的容器中，一般是高溫高壓的環(huán)境中，一般以水作為溶劑，對試驗材料進(jìn)行溶解再結(jié)晶的制備方法。

X. B. Zhao2等人通過水熱法合成出一種Bi2Te3納米管。這種低維形貌和多孔結(jié)構(gòu)使Bi2Te3納米管由于其有效的聲子阻塞效應(yīng)，而成為一種極具優(yōu)勢的熱電材料。他們的實驗結(jié)果表明，納米管結(jié)構(gòu)可以有效地提高Bi2Te3基熱電材料的性能2。

但是水熱法也存在一定的局限性，一些物質(zhì)會與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，或者是水解，或者是在水中不能穩(wěn)定存在等，例如氟化物，碳化物等。在制備這些功能材料時就不適合用水熱法。因此，在水熱法的基礎(chǔ)上，發(fā)展出來了溶劑熱法。水熱法也是一種有效的合成納米材料的手段之一。它與前者的不同之處在于所使用的有機(jī)溶劑是有機(jī)物，如甲醇，乙醇等，而不是水。

2.2 溶劑熱法

湖南稀土金屬研究院的吳文花等人3采用溶劑熱法合成了碲化秘納米粉末。實驗中其采用硝酸鉍為鉍源，分別選用碲粉和氧化碲粉為碲源。隨后進(jìn)行熱壓燒結(jié)，制備熱電材料，并對粉末的物相和粒度及燒結(jié)材料的熱電性能進(jìn)行了檢測和分析。分析結(jié)果表明，采用TeO2為碲源比采用Te粉為碲源所制備碲化秘粉末的相純度更高、結(jié)晶性能更好、晶粒度更小。當(dāng)溶劑熱反應(yīng)溫度為150℃時，反應(yīng)所得粉末的晶粒度更小，結(jié)晶性能良好。

東華大學(xué)的鄒家楨等人4通過溶劑熱法制備了形貌均勻規(guī)整、厚度約為20 nm的Bi2Te3單晶納米片，并在反應(yīng)過程中加入了表面活性劑PVP。研究結(jié)果表明，表面活性劑PVP的加入不僅可以調(diào)控形貌，而且可以抑制Te的過快生長，有利于獲得純相。

2.3電化學(xué)沉積法

Cao等人5采用恒電流電化學(xué)沉積法制備了Bi-Te二元薄膜。在同一電解液中依次合成了Bi2Te3和Bi4Te3單相膜。Bi2Te3薄膜由長度可達(dá)100 nm，平均寬度為10 nm的規(guī)整納米棒組成，具有較大的比表面積，有利于作為熱電材料的應(yīng)用。結(jié)果表明，通過改變沉積參數(shù)，可以調(diào)整Bi-Te二元薄膜的相組成和形貌5。Sapp 等人6也通過電化學(xué)沉積法對碲化鉍納米材料進(jìn)行了制備，他們利用電化學(xué)沉積的多孔氧化鋁模板獲得了碲化鉍納米線。

2.4微波合成法

Bo Zhou等人7采用微波輔助多元醇法合成了納米晶Bi2Te3。以元素Te和硝酸鉍分別作為Te源和Bi源。采用XRD、SAED、XPS和TEM對產(chǎn)物進(jìn)行了表征。研究發(fā)現(xiàn)，制備的Bi2Te3是納米棒和六邊形納米薄片的混合物。多元醇在其中既是溶劑又是還原劑7。

結(jié)論

本文簡要介紹了碲化鉍納米材料的幾種常見的制備方法，如水熱法，溶劑熱法，電化學(xué)沉積法和微波合成法。Bi2Te3是一種熱電材料，其具有較高的電導(dǎo)率和較低的熱導(dǎo)率，是目前室溫范圍內(nèi)應(yīng)用多的熱電材料。同時，碲化鉍作為拓?fù)浣^緣體中最具代表性物質(zhì)，其具有室溫下最高的熱電優(yōu)值，并且因其具有比較窄的能隙，因而在熱電材料、相變儲能材料以及拓?fù)浣^緣體等方面有著極高的應(yīng)用價值，現(xiàn)如今受到越來越多的科學(xué)家們的關(guān)注。相信隨著對其研究的不斷深入，對其合成方法的不斷改良，未來Bi2Te3納米材料會在更廣闊的領(lǐng)域得到更為廣泛的應(yīng)用。

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本論文受吉林建筑大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目資助

項目編號：202010191099

（吉林建筑大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院? ? 吉林? 長春? ?130118）