2.0 GPa下硒化鉍陶瓷的合成與表征＊

王方標，余文明，王麗娟

（牡丹江師范學院物理系，黑龍江 牡丹江 157011；黑龍江省新型碳基功能與超硬材料重點實驗室，黑龍江 牡丹江 157011）

1 引言

硒化鉍是熱電材料，也是半導體材料的一種。作為半導體的一種，硒化鉍是V2VI3中的一種，近些年來，經過科學家們的苦心研究，發現這族的半導體材料有很多特性[1]。比如光電裝置方面，還有攝像機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用在熱電應用的半導體，其熱電性能非常好，但是就目前的研究來說，對硒化鉍塊體的研究是有一定瓶頸的，因為塊狀的硒化鉍的熱電性能不是太好，因此在實際應用中不太能滿足人們對于硒化鉍的需求[2-3]。后來研究人員研究出了納米的硒化鉍結構，這個方向是近年來研究硒化鉍的主要內容，目前合成硒化鉍納米結構的方法非常多，比如化學方面有氣相沉積法，物理方面有氣相沉積法等，其結構多樣[4-5]。而沒有高溫高壓法合成硒化鉍塊體材料的相關報道，因此，本文以高純鉍粉和硒粉為原料，利用高溫高壓法進行硒化鉍塊體材料的合成研究，為實現硒化鉍的多元摻雜和制備出高ZT值的熱電材料提供研究價值。

2 實驗過程

按Bi2Se3的化學計量數和所需要的制備的量來計算稱量各自的量。本論文實驗需制備硒化鉍樣品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YYJ-10油壓機冷壓成型，成型后的圓柱形樣品為合成實驗前期的樣品。將葉臘石復合塊、導電鋼帽、傳壓介質和棒料等進行組裝并烘干2 h，目的是去除腔體內的結晶水，最后進行高溫高壓實驗，熱電材料的合成是在國產六面頂液壓機SPD-1200上進行的。合成壓力和溫度分別設定為2.0 GPa，溫度分別為500℃、550℃、600℃、650℃，保溫保壓時間約為30 min，實驗流程如圖1所示。實驗結束后對樣品進行拋光，對其進行XRD測試和SEM表征。

圖1 實驗流程圖

3 結果分析與討論

運用XRD測試手段，通過峰值比較來觀察樣品的合成及純度。運用X射線衍射儀對高溫高壓實驗下合成的硒化鉍樣品的結構進行表征。壓力為2.0 GPa時將不同溫度下合成的硒化鉍塊體進行拋光處理，將表面拋光后的硒化鉍樣品進行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℃時硒化鉍樣品的XRD衍射圖如圖2所示，其中黑色的是PDF標準卡片，通過對比發現溫度為550℃和600℃時的各個衍射峰值比較吻合，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下不同溫度對合成硒化鉍塊體的優良性，在溫度為500℃、550℃、600℃時進行了合成，然后再通過SEM進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個溫度下硒化鉍樣品的圖像發現，溫度為550℃和600℃時樣品紋理晶界增多，孔隙增加，層次感較強，破碎的晶面也較多。而溫度為500℃時，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化，由此認為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。通過對樣品的XRD測試和SEM表征發現，在XRD測試中，通過與PDF標準卡比較，得出溫度為550℃和600℃時的塊體合成是最好的。而500℃時的峰值不明顯，其原因是溫度不夠，合成時沒完全反應。600℃時峰值太雜亂，衍射峰值較低，破壞了其內部結構，是溫度太高導致的。550℃和600℃時合成的樣品是最理想的，因為其晶界比較明顯，紋理都比較清晰，縫隙比較多，破碎晶面也多，500℃時的樣品表征各方面都差一些。其原因是溫度沒達到合成的要求，表現不出來，合成的性質不好。對所得樣品不同溫度下的一些表現深度進行了分析，為制備更優良的硒化鉍的熱電材料提供了更好的途徑。