通過縮口工藝提高Bi2Se3晶體的熱電性能

【引言】

硒化鉍是A₂B₃硫族化物中的化合物(A=鉍/銻，B=碲/硒)。碲化鉍在室溫下具有較好的熱電性能，但由于碲的稀缺性和毒性，其成本較高，不得不使用一種替代品，即硒化鉍。近年來，硒化鉍作為一種新型的三維拓撲絕緣體得到了廣泛的應用。

【成果介紹】

Shashikant Gupta等人采用高溫垂直布里吉曼技術，用一種專門設計的具有縮口工藝的安瓿瓶生長出高純度硒化鉍單晶。進行了多次生長試驗，取得了較好的結果。在真空條件下，使用Linseis的激光/氙燈閃射導熱儀LFA-1000在直徑為12.7 mm的圓盤上對樣品進行熱擴散率測量。通過粉末X射線衍射確定了晶粒結構和晶格尺寸，采用高分辨率X射線衍射法分析了塊狀晶粒的結晶完整性，證實了具有分層結構的塊狀晶粒的結晶完整性。對生長的單晶進行透射電鏡觀察，確定了其具有層狀結構。高分辨率透射電鏡也被用來進一步表征晶體的結晶完整性。直接測量高分辨率透射電子顯微鏡成像得到的間距與粉末X射線衍射法得到的數據具有較高的一致性。用差示掃描量熱法對其熱行為進行了檢測，在983 K處發現了明顯的熔融現象，表明了硒化鉍的純度。測量了塞貝克系數、電導率和導熱系數，并計算了熱電優值，以評估晶體在制冷和便攜式發電等熱電應用方面的適用性，并進行了納米壓痕分析。

【圖文導讀】

圖1 （a）安瓿瓶原理圖和（b）爐溫曲線。

圖2 垂直布里奇曼裝置原理圖：（1）爐、（2）安瓿瓶座、（3）線圈、（4）安瓿瓶移動棒、（5）垂直移動機械支架、（6）包含步進電機的氣缸、（7）步進電機、（8）納米轉換控制器、（9）爐溫度控制器、（10）機械支架電機、（11）機械支架控制器

圖3 （a）結晶過程的輪廓曲線和（b）生長Bi₂Se₃晶體的錠。

圖4 （a）生長的Bi₂Se₃粉末XRD圖譜;（b）生長的Bi₂Se₃裂解單晶的XRD圖譜。

圖5切割晶體對稱幾何平面（006）的高分辨率衍射曲線

圖6 （a）顯示分層結構的Bi₂Se₃單晶的透射電鏡圖像和（b）顯示條紋晶格的高分辨率透射電鏡圖像

圖7 Bi₂Se₃的DSC圖譜

圖8 塞貝克系數與溫度的關系

圖9 電導率和導熱系數與溫度的關系

圖10 靈敏度與溫度的關系

圖11 硒化鉍單晶的負載-位移曲線。圖中的插圖顯示了(001)平面壓痕后的典型壓痕。

圖12 樣品上壓痕的輪廓。插圖顯示了壓痕機壓痕的形貌

圖13 （a）峰值荷載與接觸深度的關系，（b）楊氏模量與峰值荷載的關系，（c）剛度與接觸深度的關系

【結論】

Shashikant Gupta等人介紹了關于一種特殊設計的安瓿瓶的新型縮口工藝,采用垂直布里吉曼高溫熔體生長技術，成功地生長出高純度Bi₂Se₃單晶。通過粉末X射線衍射、高分辨率X射線衍射和高分辨率透射電鏡分析了晶粒尺寸和結晶完整性。采用差示掃描量熱儀對其熱穩定性和相變進行了檢測，發現在生長過程中沒有形成其他相。在303~423 K的不同溫度下對優值系數進行了分析，發現在423 K處優值系數具有大值0.75。對大部分晶體或納米晶體結構來說，在303~423 K不同溫度下的優值系數高于已報道過的文獻中給出的值。這一結果歸因于從高分辨率X射線衍射圖譜觀察到的塊狀晶粒的結晶完整性。并采用納米壓痕法對目標化合物進行了力學性能表征，硬度值為85.09 MPa，彈性模量值為6.361 GPa。