Abstract
奈米工程熱電材料用於將廢熱轉化為電能已成為一個引人注目的研究課題。熱電能源轉換裝置可以有效率的應用可再生能源於電力的產生。熱電材料的轉換效率取決於與維度無相依的優質係數ZT,其定義為ZT = S2T/(e + l)，其中S是thermal power或Seebeck係數, 為電導率, e為電子的熱傳導, l為聲子的熱傳導, S2σ又定義為功率因子power factor (PF). 理論上，當樣品的維度縮小從三維到一維尺度,會使得能帶邊緣電子密度顯著增加以及尺寸效應所造成的熱傳導率降低,進而增加了熱電材料的功率因子 (S2) 和產生一個熱電效率ZT的提升。Slack等論點指出能帶間隙窄的半導體其具有高遷移率的載子是最佳的熱電材料。碲化鉛 (PbTe) 是一種AIVBVI半導體在300 K時的能帶間隙為0.31電子伏特並且具有立方氯化鈉 (NaCl) 的晶體結構。另一種化合物，硒化鉍(Bi2Se3)是一個AVBVI半導體也是拓撲絕緣體 (TI) 也表現出大約0.3 eV的能帶間隙其晶體結構為rhombohedral，屬於輝碲鉍礦 D_3d^5 (R3m) 空間群。這些化合物及其合金可加諸於熱電應用，所以這兩種化合物具有很大的潛力在對於上述一維熱電材料研究。 這項研究報告熱電材料PbTe和Bi2Se3奈米線的合成和基本特性描述。這些奈米線成功地通過熱處理退火(或 stress-induced method)而製備，相較於傳統生長半導體奈米線的方式它是一種不需使用到催化劑的另類的技術。通過穿透式電子顯微鏡 (TEM) 的鑑定，對生長參數進行調控得以製備長、直和高品質的單晶奈米線。所述的PbTe和Bi2Se3奈米線直徑範圍從50至500奈米，長度高達幾微米。高品質單晶PbTe奈米線沿 [100] 方向的生長，單晶Bi2Se3奈米線則沿 [11-20] 方向的成長。 在這項工作中，熱電電性量測一個直徑d為217奈米的PbTe奈米線其在室溫表現出顯著的Seebeck係數增S = -342 µV K-1，約比PbTe塊材大95 %.4.9 而且該奈米線功率因子PF = 104 µWm-1K-2也高於任何先前文獻報導中的PbTe奈米線。4.12, 4.13, 4.16, 4.17 PbTe奈米線的熱傳導率 是透過self-heating 3 方法所量測。在室溫下，直徑217 nm和75 nm奈米線他們的熱傳導率分別為0.31 W m-1 K-1 和 0.96 W m-1 K-1， 大約 87 % 和 58 % 的比例相對小於 PbTe 塊材 = 2.3 W m-1 K-1。4.31 在300 K， 直徑75 nm 和 217 nm奈米線晶格熱導率l數值分別為0.95 W m-1 K-1 和 0.30 W m-1 K-1，大約57 % 和86 %的比例相對小於PbTe塊材 (l = 2.2 W m-1 K-1) 4.32。在室溫下直徑217 nm的樣品其聲子貢獻接近與報導的超晶格薄膜PbSe0.98Te0.02/PbTe [l = 0.35 W m-1 K-1] 的值。4.33根據文獻報導熱傳導率 ，關於PbTe奈米線在各種直徑下[d =182, 277, 和436 nm]4.37和對這項工作的75 nm奈米線，PbTe奈米線其熱傳導率κ隨它的直徑縮小顯示尺寸依賴性即， 亦減小。考慮到聲子在邊界散射，其對降低一個奈米線的κ有一個相當大的影響，該結果清楚地表明，尺寸效應導致邊界散射的增加從而抑制聲子在PbTe奈米線中的傳輸。此外，綜括S， 和 的結果;在個別的PbTe奈米線實驗計算ZT，直徑75 nm ZT ∼ 0.0010.004在300350 K的溫度區間，直徑217 nm ZT ~ 0.090.2在300380 K溫度區間，而PbTe的塊材在300 K時ZT約為 ~ 0.25和最大ZT ~ 0.8於700 K。4.41 但是對直徑217 nm奈米線其ZT值仍高於Lee等人報導的PbTe奈米線 [ZT ~ 0.0054在300 K]。4.40 這樣一個增強的ZT可以部分地歸因於尺寸效應和奈米線的品質。此外，直徑142 nm奈米線的室溫磁阻 (MR) 在B = 2 T其MR ~ 0.8 %，它比所報導PbTe塊材的MR高出了許多[在B = 2 T ，MR ~ 0.2 %]。5.18 此外，直徑 d為200 nm 的 Bi2Se3 奈米線在300 K 時其功率因子 PF達到 39.32 × 10-5 W m-1 K-2。該功率因子PF值是高於任何先前的文獻報導，該文獻報導觀察在多晶Bi2Se3奈米複合材料組成的塊材 [2.8010.70 × 10-5 W m-1 K-2於表6.1] 。奈米線功率因子PF的提高可能來自於其載流子濃度增高的結果。奈米線的熱傳導率 ( 的測量垂直於c面) 在T = 300 K [ ~ 2.05 W m-1 K-1] 均低於單晶Bi2Se3塊材約3134 % (2.96 W m-1 K-1 或 3.1 W m-1 K-1於表6.1)。奈米線的l和e在300 K均低於單晶Bi2Se3塊材29 % 和37 %（l = 1.33 W m-1 K-1和 e = 1.77 W m-1 K-1）。6.22這意味著，在290320 K溫度區間，奈米線的 主要是來自於電子的貢獻。對於此d = 200 nm奈米線，計算ZT從所得到的S、 和 數據，ZT隨溫度增加而增加，在300 K時ZT大約0.06，它仍然是比單晶Bi2Se3塊材較低33 % [ZT ~ 0.17]6.21其主要是由於Bi2Se3奈米線的低導電率。這可能是由載流子濃度或遷移率的差異造成的。然而，這奈米線的ZT值仍高於任何曾經報導過的多晶Bi2Se3 塊材6.9, 6.11另外，我們對於直徑200 nm奈米線的熱電量測結果S, 及 也定量的與理論研究一致，該理論研究揭示了當減小拓撲絕緣體Bi2Se3奈米線的直徑，熱電傳輸行為會受到表面態的增加而增加。6.45我們的研究結果可以提供明確的指導方針利於未來對於PbTe和Bi2Se3化合物的納米結構熱電工作。