英语文献翻译

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1、p型硒化铅纳米线的热电性质Wenjie Liang Oded Rabin, Allon I. Hochbaum, Melissa Fardy, Minjuan Zhang, and Peidong Yang摘要：已经证实液相合成的p型硒化铅纳米线具有热电性能。纳米线出现在简并掺杂载流子集中区域。相比而言，在20 K300 K温度范围内硒化铅纳米线表现出相近的塞贝克系数和显著降低的热导率,热处理的硒化铅纳米线其热电性能可通过增加它们的载流子浓度或空穴迁移率调整。最佳热处理后，纯的硒化铅纳米线室温下的热电优值为0.12。关键词：纳米线，热电性质，热能，热传导，硫化固态热电装置可以使热能换成电能,这

2、增加了对能源应用研究的兴趣1。在它的主要性能中，高性能，可靠性，可移植性，和低成本，使得固体热电装置在实际应用中很有吸引力。高的热电转换效率需要较低的导热系数以维持良好的温度梯度,需要高的电荷载流子迁移率以产生电能。热电性能用热电优值表征， 。式中S为热电率(塞贝克系数)，为电导率，T为绝对温度，为晶格或载流子电荷所贡献的热导率。若要固态热电模块在商业市场上有竞争力，必须满足ZT值大于等于3。由于S，的相互关联，传统的块状材料的ZT值远低于结构单元2。近日，理论预测3，4和实验测量5-11指出，可以在纳米材料中，通过在低维系统调整能带结构、态密度(DOS)和加强声子的边界散射能获得较高的ZT值

3、。传统上采用铅硒作为热电材料是由于其导热系数较低(例如在室温下PbSe的导热系数2W/(mk)。降维可以进一步提高其热电性能。最近，王等人9表明，硒化铅量子点薄膜的热电性能随着量子点的减小而单调增加。2002年，哈曼等5报道PbSeTe/PbTe量子点超晶格的ZT=2。与纳米粒子相比，一维的纳米线具有更好的电性能的特点。硒化铅单相纳米线是低成本和潜在的规模化生产的热电纳米材料的代表。在这里，我们列出热电性能的综合研究结果，单相合成硒化铅纳米线，以和通过热处理提高热电性能。锯齿状的硒化铅纳米线的合成与Cho等报道相似12。简而言之，即0.76g醋酸铅三水和2ml油酸在10ml二苯醚中加热到150

4、，保温30 min，以除去溶液中水和任意形式的油酸。随后将油酸冷却到60，向铅油酸中加入4ml0.16 mol / L的三辛基硒(TOPSe)和三辛基膦(TOP)。在250的混合溶液中加入15ml二苯醚，加热反应2分钟后，水浴淬火。整个过程在惰性气氛下进行。该产物与正己烷一起在离心机中以3000r/min的转速离心30分钟，然后保存在正己烷或氯仿中，在溶液中纳米线保持稳定一年以上。由此制备的硒化铅纳米线表现出锯齿状是由于在纳米线的生长过程中硒化铅纳米粒子的定向生长。图1(a)为合成纳米线的透射电子显微镜(TEM)图像。纳米线的直径从50纳米到100 纳米不等，直径可以通过改变先导注入的加热时间

5、来调整。明显粗糙的硒化铅纳米线表面表明它们可以通过声子表面散射而减少热传导7，13，14。同时最初出现的纳米线组成纳米范围的链条，可以在高分辨率的TEM图像中看到单晶纳米线。纳米线的单结晶性质与纳米超晶格薄膜相比拥有很大的优势，因为后者的电导率由于电荷散射，隧道效应，以和跳频而受到显著的限制。 电性能，热性能以和热传导的研究都是通过测量单纳米线而得到的，因此允许纳米线的内在性质与纳米线混合效应有明显的差别。在此之前，采用设备制造的方法为用乙醇制得硒化铅纳米线，然后在氯仿中离心和再分散。所有热电测量设备，在生产上采用相同的方法，除热电器件制备时采用高硼硅玻璃，而电子器件制备时使用热氧化涂层。采用

6、自旋铸造的纳米线技术，其色散所需的硅片需使用标准光刻程序，以确定电极和加热器，并将金属接触1 nm/100 nm/30nm钛/钯/金存入电子束蒸发器。在这里，我们注意到：这些硒化铅纳米线是非常脆弱的，所以必须格外小心，以避免机械应力和设备制造过程中造成热损伤。所有的设备保存在真空干燥器中，但测量操作却是在空气中进行，因此纳米线的热电性能会慢慢退化。如果纳米线暴露于空气中，几天后就会成为绝缘体。但当它们保存在干燥器中时，热电性能可以维持几个月。图1(b)显示了一个连接有四个电极的单硒化铅纳米线的扫描电子显微镜(SEM)图像。将加热器固定在电极附近，以便在电极方向上产生温度梯度 7，8。任何一对电

7、极都可以用来测量电导率和热电压(硒化铅纳米线在加热时产生的)。中间的两个电极分别与周围四个电极接触，让它们作为温度热电测量的传感器，确保作为温度函数的电阻率的变化可以记录和计算。四点探针测量法可用来研究单晶PbSe纳米线的电性能。使用国家仪器6052E多功能数据采集(DAQ)卡在两外电极间施加电压。同时，使用DL1211电流前置放大器和斯坦福研究系统的SR560电压放大器分别监控外电极的漏电流(I)和两个内电极之间的电压(V)，使用栅极电压(VG)设备测量纯的硒化铅纳米线的场效应属性。测量结果显示：通过纳米线的电流与电压呈线性关系。这表明，钛/钯/金形成欧姆接触硒化铅纳米线。使用两点探针和四点

8、探针测量电阻，证实接触电阻是微不足道的，硒化铅纳米线的电阻率大致为0.1-1cm。 已经有在不同栅电压下PbSe纳米线设备的 I-V性质的相关研究15。电导点(G)与单纳米线设备的电压关系表明：随电压减小硒化铅纳米线导电性能增加。这种趋势表明，硒化铅纳米线以电子空穴传导为主，因此这种纳米线是p型半导体。测量带有欧姆接触的硒化铅纳米线设备，大部分显示电导并没有因为栅极不同而发生变化，这表明它们是空穴简并掺杂，载流子浓度为10/cm或更高，是理想的半导体热电材料。因此，硒化铅纳米线不需要引入其它杂质来控制一个合适的载流子浓度。不同温度下的四点探针电阻率如图(2a)所示。随着温度从300 K下降，电

9、阻率开始急剧下降而后缓慢增长。这种温度依赖性具有重现性，虽然在不同设备上电阻率的变化幅度不尽相同。金属型材料的温度依赖性接近室温，这一性质与硒化铅纳米线的重掺杂和载流子的散射占主导地位的事实相一致。另一方面，在较低温度(200 K至100 K)时，通过测定不同温度下的电阻率，计算出热激发能量为10 meV。当温度降到低于100 K时，四点探针I-V曲线成为非线性的，这表明纳米线内部能量取决于散射机制。在高硼硅玻璃基板上制作热电测量设备，使得其在给定的热功率下能够实现较大的温度梯度。在加热器中，Keithley236源测量设备被用作电流源产生热量，同时利用Keithley纳伏表记录单硒化铅纳米线

10、连接电极冷热两端之间的热电压。习惯上，正电压意味着空穴是载流子。图2(b)显示了硒化铅纳米线测量点的热电压与加热电流的函数关系。热电流产生正的热电压，且热电压随电流变化呈抛物线型变化。8mA的热电流通过纳米线产生920V的热电压。在加热过程中使用两个锁定放大器记录twothermal传感器的电阻变化。使用温度电阻系数(TCR)测量器校准电极温度。热电能力：S= Vs /T，其中Vs是热电压，T是整个纳米线的温差。在223V/ K的445V/ K范围内，测定10个以上样品，且使热电压的平均值为339V/ K。相对于带电载流子而言，其热电能力可以和块状的PbSe16相媲美。为了测量硒化铅纳米线的导

11、热系数，他们使用了预制设备17 19。设备包括：悬挂的氮化硅加热和感应垫，每个氮化硅加热垫和感应垫都连接有铂加热线圈和四个铂接触线头。一旦单纳米线跨接在加热垫和感应垫上，它就会与Pt结合产生一个更好的热界面(图2(c)分段)。为了测量悬挂纳米线的导热系数，需升高其中一个垫的温度，同时记录相对应垫的温度变化。通过硒化铅纳米线热垫的热传导，传感垫的温度增加。利用SEM图像可以估算纳米线的尺寸，根据以往报道描述的方法可以计算导热系数17 19。在300K时，单硒化铅纳米线的电导率为0.8Wm-1K-1。在低于100 K时，热电导率大幅下降，这可能是由声子的边界散射造成的。300 K时，通过综合分析硒

12、化铅单纳米线的电性能，热性能，并且测量热导率，估计其ZT值约为0.04。这个值相对较低，原因之一是纳米线中电荷载体的流动性低于在块状体中取得的流动性的两个量级15，20。流动性的降低可能导致表面陷阱态和点缺陷，而这写都可以作为散射中心。已经证实热热处理能够减少纳米线的缺陷密度21，并有可能完善硒化铅纳米线的热电性能。因此带有高硼硅片的硒化铅纳米线装置在1托(1mmHg柱的压强)氮气压力下，在180-250温度范围的管式炉中进行退火。对于不同条件下的热处理过程前后，进行热电性能的测量。图3(a)(插图)显示在200退火的不同阶段的硒化铅纳米线的I-V曲线。用不同颜色编码代表纳米线退火后0，2，3

13、，4.5，5h的I-V曲线。可以看到在热处理后电导显著增加，5h后，纳米线的电导增加至退火前的14倍。图3(a)总结了电导率在不同的退火条件下的变化。从理论上讲，通过改变退火温度和退火时间，最多可使材料的电导增大三个数量级。因此，单硒化铅纳米线的热电性质变化对应的电阻率函数从0.4cm到410 -4cm。TEM研究表明，热处理过程前后纳米线的结晶度和形态结构没有发生明显的变化。 在图3(b)中对热处理后的硒化铅纳米线的热电性能与纳米线电阻的函数关系作了总结。所有塞贝克系数为正的样品表明电子空穴在热处理过程中依然负责电荷传输，塞贝克系数随电阻率降低而降低，这表明空穴浓度随退火时间和温度升高而增加

14、。空穴浓度的增加可能缘于退火过程中铅空位的增加。功率因数(S2)和ZT在300 K与电阻率的函数关系分别如图 3(c)和3(d)项。随着电阻率下降，功率因子和ZT值增加，直至达到一个峰值约0.04cm。室温下最高功率因子和ZT值分别为3.510 -4Wm-1K-2和0.12。ZT值最高可达原纳米线的三倍。 总之，对液相合成的硒化铅纳米线的热电性能的研究已达单纳米线水平。无论是电场效应还是热电性能的测试均表明：所制成的纳米线是载流子浓度较高的p型半导体。在300 K时硒化铅纳米线的热导率为0.8WM -1K-1，这一值仅为大体积块状材料的二分之一 22。已经证明控制热处理过程是调整硒化铅纳米线的

15、热电性能的可行方法。参考文献：1 Majumdar, A. Thermoelectricity in semiconductor nanostructures. Science 2004, 303, 777 778.2 Goldsmid, H. Thermoelectric Refrigeration; Plenum Press: New York, 1964.3 Hicks, L. D.; Dresselhaus, M. S. Effect of quantum-well structures on thethermoelectric figure of merit. Phys. Rev.

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