纳米结构Bi₂Te₃热电材料的同步辐射多技术协同研究

研究背景与能源挑战

工业和加工操作中约60%的总能量以废热形式损失，其中超过50%的耗散热源来自低品位热。为实现碳达峰和碳中和目标，开发利用清洁可持续能源并提升能源转换效率显得尤为重要。低品位热回收不仅能减少化石燃料消耗，还能有效缓解环境危机。热电材料能够直接将热能转化为电能，在这一领域具有重要应用价值。

研究方法与技术路线

本研究采用多技术协同策略，结合同步辐射技术（XAFS、XRF）和实验室分析手段（XRD、XPS、FESEM、HRTEM），对纳米结构Bi₂Te₃热电材料进行系统研究。研究旨在追踪两种不同形态Bi₂Te₃材料（纳米结构薄膜和纳米粉末）在形态、成分、平均结构及局部电子结构方面的差异。

材料制备工艺

• ​纳米粉末制备​：采用区域熔化工艺一步法制备Bi₂Te₃颗粒

• ​薄膜制备​：使用真空热蒸发技术在钠钙玻璃基板上沉积Bi₂Te₃薄膜

分析技术组合

1.同步辐射XAFS技术​：采用Bi LIII边缘荧光模式研究薄膜的电子和精细结构，透射模式分析PVP基质中的纳米粉末

2.XANES光谱分析​：将实验数据与FDMNES代码计算的模拟光谱进行对比

3.​多技术协同​：XRD、FESEM、XPS、HRTEM等技术提供互补的结构信息

结构与成分分析结果

XPS深度分析

通过XPS技术对Bi₂Te₃薄膜进行了详细的表面化学状态分析：

研究结果显示，Bi₂Te₃薄膜中Bi离子的氧化态为+3价，与纳米粉末相保持一致。XAFS和XPS分析共同证实了薄膜中Bi-O键的形成，这一发现对理解材料界面特性具有重要意义。

局部结构特征

EXAFS拟合分析成功区分了Bi₂Te₃纳米粉末和薄膜的局部结构差异。研究发现：

• Bi-Te键配位数存在明显相关性，可通过XAFS清晰识别

• 薄膜与纳米粉末相的XANES光谱显示出不同的吸收特征

• 结构变化与材料的物理性质及其功能应用密切相关

图 1 Bi2Te3 薄膜的 XPS 数据：(a) 概览，(b) Bi 4f，(c) Te 3d 和 (d) O 1s[1]。

热电性能表征

在完成结构分析的基础上，研究团队测量了Bi₂Te₃材料的热电性能参数：

• ​块体材料塞贝克系数​：约-119 μVK⁻¹

• ​薄膜塞贝克系数​：约-200 μVK⁻¹

• ​块体热电功率因数​：78 μWK⁻²m⁻¹

• ​薄膜热电功率因数​：400 μWK⁻²m⁻¹

研究意义与创新价值

本研究通过多技术协同分析策略，揭示了纳米结构Bi₂Te₃材料的重要特性：

结构调控创新

研究发现无需引入化学掺杂无序，仅通过控制制备相的最终形态（粉末或薄膜）即可调整Bi₂Te₃的物理性质，这为热电材料的性能优化提供了新思路。

技术方法创新

同步辐射技术与实验室分析手段的有机结合，为纳米材料研究提供了全面的分析框架，特别是在揭示局部电子结构和化学环境方面展现出独特优势。

应用前景展望

Bi₂Te₃薄膜展示出的优异热电性能（塞贝克系数达-200 μVK⁻¹，功率因数达400 μWK⁻²m⁻¹）表明其在低品位热回收领域具有广阔应用前景，特别是在柔性热电器件和微型能量收集系统方面。

结论与展望

本研究通过综合运用同步辐射技术和实验室分析手段，成功揭示了纳米结构Bi₂Te₃材料在不同形态下的结构特征与性能关系。研究发现通过形态控制而非化学掺杂即可有效调控材料性能，这为未来热电材料设计提供了重要指导。

未来的研究方向应包括优化制备工艺以进一步提升热电性能，探索不同基板材料对薄膜性能的影响，以及开发基于这些材料的高效热能收集装置，为实现可持续能源利用做出贡献。

​参考文献​

[1]Imam N G, Elyamny S, Aquilanti G, et al. Comprehensive study of nanostructured Bi₂Te₃ thermoelectric materials–insights from synchrotron radiation XRD, XAFS, and XRF techniques[J]. RSC advances, 2024, 14(3): 1875-1887.

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