简述Bi2Te3纳米材料的几种合成方法

孙爱婷 朱会荣

摘 要：碲化铋（Bi2Te3）是一种热电材料，广泛应用于发电、制冷、废热利用等领域。同时Bi2Te3还具有拓扑绝缘体的明显特征，在计算机和通信领域也有着重要的作用。本文简要介绍了碲化铋的性质及其应用，同时也对碲化铋纳米材料的几种常见的制备方法进行了阐述。

关键词：碲化铋;水热法;溶剂热法;微波合成法;电化学沉积法

1. Bi2Te3简介

碲化铋是一种具有较好的导电性，较弱导热性的半导体材料。此种材料可允许电子在室温条件下无能耗地在其表面运动，这将给芯片的运行速度带来飞跃式的提升。陈榆林、沈志勋等人通过研究证实，碲化铋可大大提高计算机芯片的运行速度和工作效率1。使用现有半导体技术，此种材料即可允许电子在室温条件下无能耗地在其表面运动，这将给芯片的运行速度提升至一个新的台阶，甚至可能会成为以自旋电子学为基础的下一代全新计算机技术的基石。并且实验结果表明1，碲化铋可耐受比理论预测更高的温度，这也意味着此种材料更接近于科学家想象中的应用。同时，Bi2Te3及其衍生物是目前室温条件下性能最好的热电材料之一，其具有体积小、重量轻、坚固且工作中无噪音，对环境友好，使用寿命长等优点。因此，如何高效的使Bi2Te3材料得到应用是目前亟待深入研究的方向。而将Bi2Te3材料进行纳米化是一种重要的应用途径，各种形貌的Bi2Te3纳米材料例如纳米棒、纳米花、纳米盘、纳米管、纳米片等已经被合成，使得其可利用性大大提高。下面我们来介绍几种Bi2Te3纳米材料的合成方法。

2. Bi2Te3材料合成方法

2.1水热法

水热反应过程是指在密封的容器中，一般是高温高压的环境中，一般以水作为溶剂，对试验材料进行溶解再结晶的制备方法。

X. B. Zhao2等人通过水热法合成出一种Bi2Te3纳米管。这种低维形貌和多孔结构使Bi2Te3纳米管由于其有效的声子阻塞效应，而成为一种极具优势的热电材料。他们的实验结果表明，纳米管结构可以有效地提高Bi2Te3基热电材料的性能2。

但是水热法也存在一定的局限性，一些物质会与水发生化学反应，或者是水解，或者是在水中不能稳定存在等，例如氟化物，碳化物等。在制备这些功能材料时就不适合用水热法。因此，在水热法的基础上，发展出来了溶剂热法。水热法也是一种有效的合成纳米材料的手段之一。它与前者的不同之处在于所使用的有机溶剂是有机物，如甲醇，乙醇等，而不是水。

2.2 溶剂热法

湖南稀土金属研究院的吴文花等人3采用溶剂热法合成了碲化秘纳米粉末。实验中其采用硝酸铋为铋源，分别选用碲粉和氧化碲粉为碲源。随后进行热压烧结，制备热电材料，并对粉末的物相和粒度及烧结材料的热电性能进行了检测和分析。分析结果表明，采用TeO2为碲源比采用Te粉为碲源所制备碲化秘粉末的相纯度更高、结晶性能更好、晶粒度更小。当溶剂热反应温度为150℃时，反应所得粉末的晶粒度更小，结晶性能良好。

东华大学的邹家桢等人4通过溶剂热法制备了形貌均匀规整、厚度约为20 nm的Bi2Te3单晶纳米片，并在反应过程中加入了表面活性剂PVP。研究结果表明，表面活性剂PVP的加入不仅可以调控形貌，而且可以抑制Te的过快生长，有利于获得纯相。

2.3电化学沉积法

Cao等人5采用恒電流电化学沉积法制备了Bi-Te二元薄膜。在同一电解液中依次合成了Bi2Te3和Bi4Te3单相膜。Bi2Te3薄膜由长度可达100 nm，平均宽度为10 nm的规整纳米棒组成，具有较大的比表面积，有利于作为热电材料的应用。结果表明，通过改变沉积参数，可以调整Bi-Te二元薄膜的相组成和形貌5。Sapp 等人6也通过电化学沉积法对碲化铋纳米材料进行了制备，他们利用电化学沉积的多孔氧化铝模板获得了碲化铋纳米线。

2.4微波合成法

Bo Zhou等人7采用微波辅助多元醇法合成了纳米晶Bi2Te3。以元素Te和硝酸铋分别作为Te源和Bi源。采用XRD、SAED、XPS和TEM对产物进行了表征。研究发现，制备的Bi2Te3是纳米棒和六边形纳米薄片的混合物。多元醇在其中既是溶剂又是还原剂7。

结论

本文简要介绍了碲化铋纳米材料的几种常见的制备方法，如水热法，溶剂热法，电化学沉积法和微波合成法。Bi2Te3是一种热电材料，其具有较高的电导率和较低的热导率，是目前室温范围内应用多的热电材料。同时，碲化铋作为拓扑绝缘体中最具代表性物质，其具有室温下最高的热电优值，并且因其具有比较窄的能隙，因而在热电材料、相变储能材料以及拓扑绝缘体等方面有着极高的应用价值，现如今受到越来越多的科学家们的关注。相信随着对其研究的不断深入，对其合成方法的不断改良，未来Bi2Te3纳米材料会在更广阔的领域得到更为广泛的应用。

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本论文受吉林建筑大学大学生创新创业训练项目资助

项目编号：202010191099

（吉林建筑大学 材料科学与工程学院    吉林  长春   130118）