低温热电材料碲化铋
摘要
热电材料利用材料本身的物理效应来实现电热之间的转换，既可以利用塞贝克效应将热能转化为电能，也可以利用帕尔贴效应用于制冷领域。
在常温环境里，碲化铋（）系合金材料是研究最成熟、应用最广泛的一类热电材料，性能比其他材料优异。
进一步提高的热电性能及其微型热电器件的制备技术是目前研究的热点。
本文简要介绍了基半导体合金的基本构成、热电性能和制备方法。
Abstract
Thermoelectric(TE) materials can realize the directly convention of electricity and thermal by the physical effect of the material, which is either used for power generations grounding on Seebeck coefficient or for cooling by Peltier effect. Bismuth telluride()-based alloys are one of the most widely studied and used thermoelectric materials，whose thermoelectric properties are better than other materials.Currently，much attention has been paid to the improvement of the thermoelectric properties of
and the preparation of its thermoelectric micro-devices. This thesis introduced Bismuth telluride()-based alloys’chemical constitution, thermoelectric properties and manufacturing methods.
新能源材料和技术是二十一世纪人类可继续发展不可缺少的重要物质和技术基础之一。
热电材料是一种新型的、环境友好的新能源材料，在热电致冷和热电发电方面的应用越来越广泛。
由于热电发电在低温废热回收利用上具备独特的优势，而成为未来热电行业的主力发展方向。
热电材料是通过半导体材料的塞贝克（Seebeck）效应和帕尔贴(Peltier)效应实现热能与电能直接相互耦合、相互转化的一类功能材料。
随着能源危机与环境污染的日益严重，热电材料因其自身具有无污染、无噪音、体积小、寿命长、可精确控制等优点引起了人们广泛的关注。
不论在发电方面(如利用深层空间作业的宇宙飞船的发送机内外温差建立自动发电系统供长期宇航作业)，还是从环境保护、无震动、无噪声、微型化、易于控制、可靠性、寿命长等角度出发，热电材料都具有不可取代的优点。
目前，热电材料已经成功应用到人造卫星，太空飞船，高性能接收器和传感器等领域。
基半导体合金是目前知道的室温下性能最好的热电材料。
Bi和Te分别是V 族和VI族元素，即为它们构成了化合物半导体。
是一种天然的层状结构
材料，晶体结构为R-3m斜方晶系。
化合物为六面层状结构，在单胞C轴方向，Bi和Te的原子层按Te1-Bi-Te2-Bi-Te1方式交替循环排列。
其中Bi-Te1之间以共价键和离子键相结合，Bi-Te2之间为共价键，而Te1-Te1之间则以范德华力相结合，因此晶体很容易在Te1原子面间发生解理，所以材料的机械性能一般较差。
层间距为0.252nm，其结构可视为六面体层状结构，其解理面是沿垂直于晶体C轴的(001)面，而在两相邻的Te原子层间最容易发生解理。
熔点为858K，相对其它二元合金较低，这与其特殊的结构有关。
材料在熔点温度附近的组分偏离严格的化学配比，呈现稍微Bi过剩，Bi占原子重量比的40.065%,Te占原子重量比的59.935%。
这导致了材料的理论密度(7.6828)小于实验测量密度(7.8587)。
材料的这种组分偏离会大大影响材料的热电性能，甚至是材料的传导类型的改变，组分中Bi的过量会使材料呈p型传导，而Te的过量则呈n 型传导。
热电装置就是由n型和p型两种半导体材料通过金属连接形成热电结以实现温差发电或热电制冷。
热电转换效率主要取决于无量纲热电优值ZT，ZT=，其中为塞贝克系数、为电导率、为热导率、T为绝对温度。
目前商用碲化铋热电材料的ZT值一般都小于或接近1.0，性能仍然偏低。
要获得较高的热电性能，即较大的ZT值，需要材料同时具有较高的电导率和赛贝克系数以及较低的热导率，而这三个参数并不是独立的，它们之间相互关联，都受到载流子浓度等因素的影响。
因此，如何实现三个参数的协同调控以获得最佳的ZT值成为研究热电材料的关键。
现在碲化铋制备方法可以分为单晶材料制备方法和纳米材料制备方法等。
单晶材料制备方法主要有区熔法和布里奇曼法;微米纳米晶粉体材料制备方法主要有分子束外延法（MBE）、高能球磨法、电化学沉积法、溶剂热法、熔融旋甩法等。
此外，碲化铋基材料的制备技术还包括剪切挤压法以及机械剥离法制备纳米薄片等等。
一种新研发的制备方法是以氯化铋、亚碲酸钠、氢氧化钠、表面活性剂EDTA二钠,以及还原剂硼氢化钠为初始原料,采用溶剂热合成技术,将初始原料的混合水溶液经过不同的预处理,在453 K热处理后得到黑色粉末产物,用水和乙醇多次洗涤、真空干燥后,可以得到形貌各异的纳米碲化铋化合物粉体，所得碲化铋粉体经SPS烧结制备成块体,其综合热电性能优于商用碲化铋块体材料,300 K时的ZT值为0.958。
此外，还有研究表明向P型热电材料中加入额外的Te可以使优值ZT先增大后减小，当额外Te的质量分数为3%时具有最大ZT值，约为0.92。
还有研究发现在
中弥散少量的纳米SiC颗粒可以进一步提高材料的热电性能。
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