电化学制备低维Bi2Te3材料及其表征

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目前,能源危机和环境问题越来越突出,人类的生存和文明的发展正面临着极大的考验。热电材料是环境友好型材料,可以实现热能和电能的直接互换,在温差发电和热电制冷方面有着光明的应用前景。Bi2Te3基材料是室温环境下最好的热电材料。通过研究,人们发现低维化和纳米化热电材料相对于块体材料具有更快的响应速度、较高的能量密度,在热电转换效率的提高上有着巨大潜力。目前人们电沉积制备Bi2Te3纳米线中没有涉及工艺参数对于纳米线形态的作用。  本论文以氧化铝多孔膜(AAO)为模板,利用直流电沉积技术中的恒电位法和恒电流密度法进行了Bi2Te3纳米线的组装,并利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)和其附带的能谱仪(EDS)及透射电子显微镜(TEM),从物相组成分、结构形貌和亚结构、微区成分这几方面,研究了工艺参数对Bi2Te3纳米线的影响。在制备Bi2Te3纳米线过程中对Bi2Te3纳米线长出AAO模板后形成的“Bi2Te3薄膜”进行了研究,另外还发现了氧化铝纳米线,并对氧化铝纳米线的形成机制和影响因素进行了研究。  采用二次阳极氧化的方法制备AAO模板,膜厚约为20μm;孔径一致,约为90nm;面积为9cm2;孔密度约为9.4×107个/cm2。  在纳米线制备过程中,恒电流密度法效果并不理想。在制得的“Bi2Te3薄膜”中发现,恒电流密度和恒电位沉积时得到了表面形态各异的半球状沉积膜。在恒电位沉积过程中,随沉积电位升高,薄膜的沉积率却由高到低。通过与制得的Bi2Te3纳米线对比发现,“Bi2Te3薄膜”的多少代表着所制得Bi2Te3纳米线的沉积率大小。  在恒电位沉积I-t图中发现,本实验沉积分为两个阶段,第一阶段为HTeO2+和Bi3+在AAO孔内成核及晶粒生长阶段;第二阶段为Bi2Te3在纳米孔中沉积直至充满整个纳米孔。组装得到的纳米线Te原子百分比接近60%,且增大沉积电位对Te原子沉积的促进作用大于Bi原子。沉积得到的Bi2Te3纳米线直径与AAO纳米孔径一致约为90nm。当沉积电位为1.1V时,其沉积方式为多核模式,纳米线较疏松、连续性不好;沉积电位为1.4V时,碲化铋在生长过程是单核的形成与长大,纳米线具有高的结晶度和致密度。纳米线在90nm的纳米孔洞中沉积时,其水平方向的沉积速率V//约等于垂直方向的沉积速率V⊥(V⊥≈V//),这与沉积电位无关,即既使改变沉积电位也不会影响这一关系。通过综合分析,本实验中最佳的沉积电位为1.4V。  通过EDS分析得知,在制备的碲化铋纳米线时出现的较细的纳米线为氧化铝纳米线。酸腐蚀得到的氧化铝纳米线分散性好,排列整齐,直径较大;用碱腐蚀得到的氧化铝纳米线顶端易黏集,直径较小。腐蚀得到氧化铝纳米线所消耗时间NaOH最短,磷铬酸次之,磷酸所需时间最长。氧化铝纳米线的形成机制是孔内部和表面同时腐蚀,在最薄的侧壁相连处最先裂开,形成近似三棱柱的侧壁,它在腐蚀液的打磨下,形成了圆柱型的氧化铝纳米线。
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