Bi2Se3纳米材料的介电、热电和光电性能研究

作     者：刘学昊 

作者单位：北京化工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张均营

授予年度：2024年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 07[理学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：拓扑绝缘体 Bi2Se3纳米片 微波吸收性能 热电转换性能 光电转换性能 

摘      要：随着5G技术的普及,电磁（EM）污染正成为一个不可避免的问题。人们日益关注的是,蓄意的电磁干扰对通信、电网、网络、电子系统和其他关键基础设施的正常使用造成的威胁。大多数研究集中于电磁波的吸收,或者探索新的电磁波吸收材料。然而,人们长期忽视了电磁能的再利用这一个关键问题。出于监测和通信目的,航空探测器等太空通讯设备通常需要保持相对于地球的特定方位,而携带的电池难以满足电力需求。因此,在特殊环境下将废弃电磁能转化为直流电来为微型和纳米设备供电是一项理想的战略,不仅能够解决电磁污染问题,更能为设备提供驱动能源。但是由于材料本身的局限性,实现电磁波吸收和热电转换功能仍然具有挑战性。 本文利用多元醇还原法制备出了Bi2Se3纳米片,通过改变工艺条件对Bi2Se3纳米片结构和尺寸进行调控,得到厚度约为30 nm的Bi2Se3六方纳米片。对5种加载量的Bi2Se3纳米复合材料的微波介电性能进行了研究。Bi2Se3纳米复合材料表现出了优秀的微波吸收性能,在0.9 mm下实现2.95 GHz（14.85-17.8 GHz）的吸波带宽,实现了亚毫米厚度的宽带吸收。并采用超结构设计,在5 mm厚度下实现8.86 GHz（9.14-18 GHz）的宽带吸收。Bi2Se3纳米片的热电转换能力也十分优秀。当温差为165℃时,Seebeck系数最大能到达37.08μV/K。Seebeck系数正值说明Bi2Se3纳米片的载流子为空穴。在250℃时,Bi2Se3纳米片的电导率为215.12 S/m,相比于50℃时的2.31 S/m,电导率提升了两个数量级。这表明Bi2Se3纳米材料有望实现电磁波-电能的转换。为多功能纳米材料解决自供电电磁设备的能源供应问题提供了一个前景广阔的解决方案。 得益于拓扑导电表面态效应,Bi2Se3纳米片还展现出了优秀的光电转换性能。在偏置电压为15V,光功率密度为200 mW/cm2时,Bi2Se3纳米片的最大亮电流为17.39 mA,与0 mW/cm2相比,光电流提升了143%。由于Bi2Se3纳米片具有较大的载流子迁移率,Bi2Se3纳米片的最大响应度为84.44 mA/W,且最大探测率能够达到1.44×10～9 Jones。这表明Bi2Se3纳米片具有在弱光下也有较高的灵敏度。采用单通滤波片对其进行单波长光源的光电性能测试,结果表明在400 nm、700 nm和1350 nm的光源波长下均有不错的光电响应。这表明Bi2Se3纳米片在红外探测领域和弱光探测领域都具有很大的潜在应用价值。