氮化硼纳米管的掺杂及其热电性能研究

发布时间：2020-04-08 14:07

【摘要】：氮化硼纳米管(BNNT)作为一种Ⅲ-Ⅴ族纳米材料,具有独特的物理和化学性质,成为近年来被广泛研究的纳米材料之一,除了具有优异的高温热稳定性、高化学稳定性等优点,研究表明BNNT具有较高的塞贝克系数、电学特性可调以及热导率小于碳纳米管热导率的特点,在纳电子、热电及复合材料等领域具有很大的应用前景。但BNNT作为宽禁带半导体,需要对其进行掺杂来调节电学特性,目前在掺杂方面存在工艺复杂及掺杂量不可调和产量低的问题;对BNNT及其复合材料的热电特性理论和实验研究均处于空白状态。因此,开展BNNT掺杂和热电性能的研究具有重要意义。为此本文围绕BNNT的热电特性进行相关的理论建模研究,在此基础上,利用掺杂方法调节BNNT薄膜的热电性能,对理论模型进行验证,并研究BNNT复合材料的热电性能。建立BNNT薄膜的热电理论模型,由于BNNT本身和纳米管间的接触结是组成薄膜的两个主要因素,分别考虑这两个因素对塞贝克系数和电导率的影响,最后综合分析接触结和BNNT本身对薄膜热电参数的贡献,研究了掺杂浓度对薄膜热电参数的影响。研究结果表明随着碳含量的增加,BNNT薄膜的塞贝克系数减小,电导率增大。在球磨法制备BNNT的基础上,研究了球磨法制备BNNT的生长机理,分析了催化剂浓度、反应气体流量、反应时间及反应温度对BNNT产量和形貌的影响。实验结果表明,催化剂比例主要影响BNNT的质量和产量,反应气体流量主要影响纳米管的形貌,对产量影响不明显;退火时间对纳米管的尺寸和形貌影响较小;退火温度主要影响纳米管的直径分布范围。采用热退火后处理法实现BNNTs的掺杂,研究工艺参数,例如掺杂源通入时间、退火温度、掺杂源种类等参数,对BNNTs形貌及掺杂量的影响。结果表明,热退火后处理掺杂法提高了掺杂效率和掺杂BNNTs的产量,可实现C、Si单独掺杂及C/Si共掺杂,可通过控制工艺参数,实现不同浓度的掺杂,通过多种元素掺杂验证方法的通用性,且通过电学特性研究发现掺杂后BNNT均表现为p型半导体。针对BNNT及其复合材料的热电特性研究仍处于空白状态的问题,本文研究BNNT薄膜及其复合材料的热电特性,分别以C掺杂和Si掺杂BNNT薄膜为研究对象,分析掺杂浓度对纳米管薄膜的热电参数的影响,通过实验验证BNNT薄膜热电理论模型的正确性。为了提高材料的热电性能,制备由BNNT与聚(3,4-乙撑二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)构成的复合材料,并研究其热电性能。结果表明随着BNNTs含量的增加,电导率先增加后降低,塞贝克系数单调增加,但增加的趋势逐渐变缓。当BNNTs的含量为14.7wt%时,其塞贝克系数最大,可达到38.67μV/K,与未处理的PEDOT:PSS薄膜的塞贝克系数(20.0μV/K)相比,提高了93.35%,且复合膜的塞贝克系数随着BNNTs中碳含量的增加而减小。本文研究成果为以后深入研究BNNT的热电特性研究提供指导,为实现BNNT在纳米器件和热电领域的应用奠定基础。
【图文】：

球磨法,竹节,图像,温度适中

b) HRTEM 图 and SEM b) HRTEM ia图 1-3 BNNT 阵列[36]Fig.1-3 BNNT forest[36]使 BNNT 的纯度和产量得到了过碾碎、研磨、高速塑性变形结构变化和化学反应，增加前驱性，进而提高产量和纳米管质的这些金属粒子可以作为催化利用该方法制备 BNNT 方面其他方法进行组合来提高纳米和设备简单，所需温度适中，但制备的 BNNT 多为竹节状，，

电子束诱导,掺杂工艺,元素分布,能谱

- 6 -a) 掺杂工艺a) Doping processb) 元素分布b) elemental mapsc) EELS 能谱c) EELS spectra图 1-5 电子束诱导 C 掺杂 BNNT[72]Fig.1-5 Electron-beam-induced C doping of BNNT[72]
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.1

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