[发明专利]一种纳米P-N异质结及其制备和应用

说明书

本发明涉及一种纳米P‑N异质结及其制备和应用，所述异质结中的P型半导体为碲纳米线，N型半导体为碲化铋纳米片。本发明制备的纳米P‑N异质结具有超高的Seebeck系数，在热电转换与制冷领域有重要的科学价值和广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于低维热电材料及其制备和应用领域，特别涉及一种纳米P-N异质结及其制备和应用。

背景技术

科学技术的发展与人们生活水平的提高以能源的巨大消耗为代价，但目前人类社会对能源，特别是热能的利用效率较低，如何提高能源的利用效率已经成为世界各国关注的焦点。热电材料又叫温差电材料，可以实现热能与电能之间的相互转换，能够直接将太阳热、机械余热、工业废热等热量转换成电能，相反也能成为热泵实现通电制冷。利用热电材料组装成的热电器件具有高响应、高稳定、低重量、无污染、工作无噪音等优点，其研究与发展受到国际学者的广泛关注。目前，美国、俄罗斯等国家已经研发多组空间温差发电装置为航空航天设备供能。

热电材料的性能可以用无量纲值ZT来表示，ZT＝S²σT/k，其中S是Seebeck系数、σ是电导率、k是热导率、T为绝对温度。高性能的热电材料需要高Seebeck系数、高电导率和低热导率，而优化材料的Seebeck更为重要。低维材料的出现为高性能热电材料的发展和器件的组装提供了新的思路和方向。理论认为：当材料的尺寸达到纳米尺度时会引起费米能级附近电子能态密度的提高，同时对声子传输也产生维度和尺寸限制效应及界面散射效应，从而增加对热运输和电运输性能调控的自由度；当材料的某一维度的尺寸小到与声子和电子的平均自由程相当时，材料的热电表现可以获得大幅度的提高。

碲纳米线、碲化铋纳米片等低维材料的合成促进热电材料的飞速发展，研究者(Physical Chemistry Chemical Physics,2015,17(14):8591-8595)(Journal of Alloysand Compounds,2020,818:152901)利用溶剂热法合成的碲纳米线和碲化铋纳米片的Seebeck系数分别可以达到300μV/K和-110μV/K，然而目前这些低维材料的Seebeck系数依然低于理论值，因此需要对低维热电材料进行结构设计提高其Seebeck系数。本发明利用无机合成技术构筑纳米P-N异质结，利用异质结对电子的过滤效应来提高碲纳米线的Seebeck系数，从而提高其热电性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种纳米P-N异质结及其制备和应用，克服现有技术中低维热电材料的Seebeck系数较低的缺陷，本发明中的纳米P-N异质结通过溶剂热法制备，异质结以碲化铋纳米片中心为晶核，碲纳米线沿晶核方向垂直生长。

本发明的一种纳米P-N异质结，所述纳米P-N异质结中的P型半导体为碲纳米线，N型半导体为碲化铋纳米片。

所述异质结以碲化铋纳米片中心为晶核，碲纳米线沿晶核方向垂直生长。

本发明的一种纳米P-N异质结的制备方法，包括：

(1)将亚碲酸钠、五水硝酸铋和聚乙烯吡咯烷酮溶解于溶剂中，加热，保温，自然冷却至室温，得到前驱体溶液；

(2)将二氧化碲溶解于步骤(1)中的前驱体溶液，并密封于水热釜中，加热，保温，自然冷却至室温，洗涤，得到纳米P-N异质结

上述制备方法的优选方式如下：

所述步骤(1)中亚碲酸钠、五水硝酸铋、聚乙烯吡咯烷酮、乙二醇的质量比为1.0:1.0:0.5:50～1.0:2.0:1:65；溶剂为乙二醇；聚乙烯吡咯烷酮的分子量为10000-360000。

所述步骤(1)中加热温度为140～160℃，保温时间为1～6h。

所述步骤(2)中二氧化碲、前驱体溶液的质量比为1.0:40～1.0:50。