2.0 GPa下硒化鉍陶瓷的合成與表征＊

王方標(biāo)，余文明，王麗娟

（牡丹江師范學(xué)院物理系，黑龍江 牡丹江 157011；黑龍江省新型碳基功能與超硬材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 牡丹江 157011）

1 引言

硒化鉍是熱電材料，也是半導(dǎo)體材料的一種。作為半導(dǎo)體的一種，硒化鉍是V2VI3中的一種，近些年來(lái)，經(jīng)過(guò)科學(xué)家們的苦心研究，發(fā)現(xiàn)這族的半導(dǎo)體材料有很多特性[1]。比如光電裝置方面，還有攝像機(jī)的一些原件和光譜等。硒化鉍是具有層次感的層狀化合物，還是三方相的晶系并具有窄帶隙。硒化鉍熱電材料目前是被廣泛應(yīng)用在熱電應(yīng)用的半導(dǎo)體，其熱電性能非常好，但是就目前的研究來(lái)說(shuō)，對(duì)硒化鉍塊體的研究是有一定瓶頸的，因?yàn)閴K狀的硒化鉍的熱電性能不是太好，因此在實(shí)際應(yīng)用中不太能滿足人們對(duì)于硒化鉍的需求[2-3]。后來(lái)研究人員研究出了納米的硒化鉍結(jié)構(gòu)，這個(gè)方向是近年來(lái)研究硒化鉍的主要內(nèi)容，目前合成硒化鉍納米結(jié)構(gòu)的方法非常多，比如化學(xué)方面有氣相沉積法，物理方面有氣相沉積法等，其結(jié)構(gòu)多樣[4-5]。而沒(méi)有高溫高壓法合成硒化鉍塊體材料的相關(guān)報(bào)道，因此，本文以高純鉍粉和硒粉為原料，利用高溫高壓法進(jìn)行硒化鉍塊體材料的合成研究，為實(shí)現(xiàn)硒化鉍的多元摻雜和制備出高ZT值的熱電材料提供研究?jī)r(jià)值。

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

按Bi2Se3的化學(xué)計(jì)量數(shù)和所需要的制備的量來(lái)計(jì)算稱量各自的量。本論文實(shí)驗(yàn)需制備硒化鉍樣品20 g，因此用四位天平精確稱量鉍粉12.78 g，硒粉7.22 g，將稱量好的硒粉和鉍粉放入瑪瑙研缽中研磨30 min，使二者充分混合均勻。充分研磨后的混合粉末通過(guò)YYJ-10油壓機(jī)冷壓成型，成型后的圓柱形樣品為合成實(shí)驗(yàn)前期的樣品。將葉臘石復(fù)合塊、導(dǎo)電鋼帽、傳壓介質(zhì)和棒料等進(jìn)行組裝并烘干2 h，目的是去除腔體內(nèi)的結(jié)晶水，最后進(jìn)行高溫高壓實(shí)驗(yàn)，熱電材料的合成是在國(guó)產(chǎn)六面頂液壓機(jī)SPD-1200上進(jìn)行的。合成壓力和溫度分別設(shè)定為2.0 GPa，溫度分別為500℃、550℃、600℃、650℃，保溫保壓時(shí)間約為30 min，實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對(duì)樣品進(jìn)行拋光，對(duì)其進(jìn)行XRD測(cè)試和SEM表征。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程圖

3 結(jié)果分析與討論

運(yùn)用XRD測(cè)試手段，通過(guò)峰值比較來(lái)觀察樣品的合成及純度。運(yùn)用X射線衍射儀對(duì)高溫高壓實(shí)驗(yàn)下合成的硒化鉍樣品的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。壓力為2.0 GPa時(shí)將不同溫度下合成的硒化鉍塊體進(jìn)行拋光處理，將表面拋光后的硒化鉍樣品進(jìn)行X射線衍射分析，掃描衍射角范圍為10°～80°。合成壓力為2.0 GPa，溫度為500～650℃時(shí)硒化鉍樣品的XRD衍射圖如圖2所示，其中黑色的是PDF標(biāo)準(zhǔn)卡片，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)溫度為550℃和600℃時(shí)的各個(gè)衍射峰值比較吻合，都比較清晰。而500℃和650℃的峰值太多太雜亂，因此溫度為550℃和600℃時(shí)合成的是比較好的硒化鉍塊體。

圖2 壓力為2.0 GPa，溫度為500℃、550℃、600℃、650℃時(shí)硒化鉍樣品的XRD衍射圖

為了研究在相同壓力2.0 GPa下不同溫度對(duì)合成硒化鉍塊體的優(yōu)良性，在溫度為500℃、550℃、600℃時(shí)進(jìn)行了合成，然后再通過(guò)SEM進(jìn)行樣品表面形貌分析。2.0 GPa下不同溫度合成的硒化鉍的樣面斷面紋理的分析如圖3所示。觀察3個(gè)溫度下硒化鉍樣品的圖像發(fā)現(xiàn)，溫度為550℃和600℃時(shí)樣品紋理晶界增多，孔隙增加，層次感較強(qiáng)，破碎的晶面也較多。而溫度為500℃時(shí)，明顯感覺到孔隙很少，晶界、破碎晶面不明顯。晶界越多越有利于熱電轉(zhuǎn)化，由此認(rèn)為550℃和600℃條件下合成樣品致密性較高，性能較好。

圖3 壓力為2.0 GPa，不同溫度下合成硒化鉍的SEM圖譜

4 結(jié)論

本文在恒定2.0 GPa壓力下，采用高溫高壓的方法，用高純鉍粉和硒粉合成硒化鉍塊體。通過(guò)對(duì)樣品的XRD測(cè)試和SEM表征發(fā)現(xiàn)，在XRD測(cè)試中，通過(guò)與PDF標(biāo)準(zhǔn)卡比較，得出溫度為550℃和600℃時(shí)的塊體合成是最好的。而500℃時(shí)的峰值不明顯，其原因是溫度不夠，合成時(shí)沒(méi)完全反應(yīng)。600℃時(shí)峰值太雜亂，衍射峰值較低，破壞了其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，是溫度太高導(dǎo)致的。550℃和600℃時(shí)合成的樣品是最理想的，因?yàn)槠渚Ы绫容^明顯，紋理都比較清晰，縫隙比較多，破碎晶面也多，500℃時(shí)的樣品表征各方面都差一些。其原因是溫度沒(méi)達(dá)到合成的要求，表現(xiàn)不出來(lái)，合成的性質(zhì)不好。對(duì)所得樣品不同溫度下的一些表現(xiàn)深度進(jìn)行了分析，為制備更優(yōu)良的硒化鉍的熱電材料提供了更好的途徑。