通過縮口工藝提高Bi2Se3晶體的熱電性能

【引言】

硒化鉍是A₂B₃硫族化物中的化合物(A=鉍/銻，B=碲/硒)。碲化鉍在室溫下具有較好的熱電性能，但由于碲的稀缺性和毒性，其成本較高，不得不使用一種替代品，即硒化鉍。近年來(lái)，硒化鉍作為一種新型的三維拓?fù)浣^緣體得到了廣泛的應(yīng)用。

【成果介紹】

Shashikant Gupta等人采用高溫垂直布里吉曼技術(shù)，用一種專門設(shè)計(jì)的具有縮口工藝的安瓿瓶生長(zhǎng)出高純度硒化鉍單晶。進(jìn)行了多次生長(zhǎng)試驗(yàn)，取得了較好的結(jié)果。在真空條件下，使用Linseis的激光/氙燈閃射導(dǎo)熱儀LFA-1000在直徑為12.7 mm的圓盤上對(duì)樣品進(jìn)行熱擴(kuò)散率測(cè)量。通過粉末X射線衍射確定了晶粒結(jié)構(gòu)和晶格尺寸，采用高分辨率X射線衍射法分析了塊狀晶粒的結(jié)晶完整性，證實(shí)了具有分層結(jié)構(gòu)的塊狀晶粒的結(jié)晶完整性。對(duì)生長(zhǎng)的單晶進(jìn)行透射電鏡觀察，確定了其具有層狀結(jié)構(gòu)。高分辨率透射電鏡也被用來(lái)進(jìn)一步表征晶體的結(jié)晶完整性。直接測(cè)量高分辨率透射電子顯微鏡成像得到的間距與粉末X射線衍射法得到的數(shù)據(jù)具有較高的一致性。用差示掃描量熱法對(duì)其熱行為進(jìn)行了檢測(cè)，在983 K處發(fā)現(xiàn)了明顯的熔融現(xiàn)象，表明了硒化鉍的純度。測(cè)量了塞貝克系數(shù)、電導(dǎo)率和導(dǎo)熱系數(shù)，并計(jì)算了熱電優(yōu)值，以評(píng)估晶體在制冷和便攜式發(fā)電等熱電應(yīng)用方面的適用性，并進(jìn)行了納米壓痕分析。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1 （a）安瓿瓶原理圖和（b）爐溫曲線。

圖2 垂直布里奇曼裝置原理圖：（1）爐、（2）安瓿瓶座、（3）線圈、（4）安瓿瓶移動(dòng)棒、（5）垂直移動(dòng)機(jī)械支架、（6）包含步進(jìn)電機(jī)的氣缸、（7）步進(jìn)電機(jī)、（8）納米轉(zhuǎn)換控制器、（9）爐溫度控制器、（10）機(jī)械支架電機(jī)、（11）機(jī)械支架控制器

圖3 （a）結(jié)晶過程的輪廓曲線和（b）生長(zhǎng)Bi₂Se₃晶體的錠。

圖4 （a）生長(zhǎng)的Bi₂Se₃粉末XRD圖譜;（b）生長(zhǎng)的Bi₂Se₃裂解單晶的XRD圖譜。

圖5切割晶體對(duì)稱幾何平面（006）的高分辨率衍射曲線

圖6 （a）顯示分層結(jié)構(gòu)的Bi₂Se₃單晶的透射電鏡圖像和（b）顯示條紋晶格的高分辨率透射電鏡圖像

圖7 Bi₂Se₃的DSC圖譜

圖8 塞貝克系數(shù)與溫度的關(guān)系

圖9 電導(dǎo)率和導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系

圖10 靈敏度與溫度的關(guān)系

圖11 硒化鉍單晶的負(fù)載-位移曲線。圖中的插圖顯示了(001)平面壓痕后的典型壓痕。

圖12 樣品上壓痕的輪廓。插圖顯示了壓痕機(jī)壓痕的形貌

圖13 （a）峰值荷載與接觸深度的關(guān)系，（b）楊氏模量與峰值荷載的關(guān)系，（c）剛度與接觸深度的關(guān)系

【結(jié)論】

Shashikant Gupta等人介紹了關(guān)于一種特殊設(shè)計(jì)的安瓿瓶的新型縮口工藝,采用垂直布里吉曼高溫熔體生長(zhǎng)技術(shù)，成功地生長(zhǎng)出高純度Bi₂Se₃單晶。通過粉末X射線衍射、高分辨率X射線衍射和高分辨率透射電鏡分析了晶粒尺寸和結(jié)晶完整性。采用差示掃描量熱儀對(duì)其熱穩(wěn)定性和相變進(jìn)行了檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)在生長(zhǎng)過程中沒有形成其他相。在303~423 K的不同溫度下對(duì)優(yōu)值系數(shù)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)在423 K處優(yōu)值系數(shù)具有大值0.75。對(duì)大部分晶體或納米晶體結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，在303~423 K不同溫度下的優(yōu)值系數(shù)高于已報(bào)道過的文獻(xiàn)中給出的值。這一結(jié)果歸因于從高分辨率X射線衍射圖譜觀察到的塊狀晶粒的結(jié)晶完整性。并采用納米壓痕法對(duì)目標(biāo)化合物進(jìn)行了力學(xué)性能表征，硬度值為85.09 MPa，彈性模量值為6.361 GPa。