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张华教授综述:半导体纳米材料外延异质结构的湿化学合成及应用
nanomicrolett 2020-1-2 16:11
Wet‑Chemical Synthesis and Applications of Semiconductor Nanomaterial‑Based Epitaxial Heterostructures JunzeChen, QinglangMa, Xue‑JunWu, LiuxiaoLi, JiaweiLiu, HuaZhang Nano-Micro Lett.(2019)11:86 https://doi.org/10.1007/s40820-019-0317-6 本文亮点 1 介绍了通过湿化学方法合成基于半导体纳米材料的 外延异质结构 。 2 说明了 基于不同种子或模板 的各种体系结构,并详细讨论了它们的生长机制。 3 讨论了外延异质结构在光电、热电和催化中的 应用 。 内容简介 具有精确组分和形貌的基于半导体纳米材料的外延异质结构在光电、热电和催化领域有着非常重要的应用。外延生长技术可以使薄晶体层中的原子生长到另一个单晶衬底上,模仿了衬底的原子排列,从而可以创建高质量的界面。到目前为止,研究人员已经构建了各种各样的外延异质结构。 南洋理工大学材料科学与工程学院的张华团队在本综述中详细介绍了基于半导体纳米材料的外延异质结构的湿化学合成方法,并说明了基于不同种子或模板的各种体系,并详细讨论了它们的生长机制。同时,作者描述了外延异质结构在光电、催化和热电学中的应用实例,并对此类外延异质结构的未来研究方向提出了一些潜在挑战和个人理解。 研究背景 在过去的几十年中,随着纳米技术的发展,基于外延半导体的异质结构的构造在电子学,光电子学,热电学和催化领域中的备受关注。外延半导体异质结构的构建可以通过几种方法来实现,包括液相外延,金属有机气相外延和分子束外延。尽管已经获得了高质量的异质结构,但制造技术的发展却因产量低,成本高以及严格的反应条件(如高温和超高真空)而受到阻碍。相比之下,湿法化学合成方法由于低成本和高产量的生产而成为最有潜力的制备方法。到目前为止,已经通过使用零维(0D),一维(1D)和二维(2D)纳米晶体(NC)合成了具有调制成分和微调形态的各种基于半导体的外延异质结构。 图文导读 I 湿化学制备方法 可以使用多种湿化学方法来构建外延异质结构,包括从分子前体直接合成(例如溶液外延生长)和现有种子或模板的后合成处理(例如离子交换)。近年来,离子交换方法,特别是其中用NC主晶格中的阳离子代替溶液中的阳离子的阳离子交换方法,已成为构建外延异质结构的强大工具。 1.1溶液外延生长 在溶液外延生长中,基于不同的合成策略(例如热注入和水热/溶剂热策略),始终需要“种子”来构造外延异质结构。溶液中均匀成核的能垒通常很大,但是如果种子存在于成核溶液中,即非均相成核,则势垒会不同。种子的大小,形状,晶体结构和表面性质会以多种方式极大地影响第二种物质的核化和生长。 1.2 离子交换 离子交换方法近来变得越来越流行,包括阴离子交换方法和阳离子交换方法。在过去的几十年中,已经从分子前体直接合成了各种外延异质结构,这些前体为离子交换提供了许多模板。这些控制良好的外延异质结构可以容易地转变为其他组成不同但结构与原始结构相似的异质结构。另外,部分离子交换还可以产生难以从分子前体直接合成的外延异质结构。 II 基于半导体纳米材料的外延异质结的结构类型 2.1 基于0D种子/模板的外延异质结构 纳米材料最常见的结构是0D NC,在过去的几十年中已经进行了广泛的研究。可以通过使用0D NC作为种子来获得各种外延结构,包括核壳结构,纳米二聚体,纳米花,一维纳米棒,四脚形结构和Janus纳米结构。通过控制反应动力学可以引发不对称增长。例如,通过使用具有纤锌矿型(w-CdSe)或锌混合型(z-CdSe)结构的CdSe NCs作为CdS纳米棒生长的种子,分别获得了CdSe-CdS点对棒结构或四脚形结构(图1)。锌混合CdSe具有四个{111}面,类似于纤锌矿结构的{00̄1}面,这对于CdS纳米棒的外延生长更有利。因此,当将锌混合CdSe NCs用作种子时,就实现了在CdSe NCs表面生长有四个CdS“臂”的四脚形结构。该方法已扩展为制备ZnTe-CdSe棒内/四脚形结构和CdSe-CdTe四脚形结构。 图1分别从纤锌矿和锌混合晶种获得的点状和四脚状结构示意图。 新型和复杂的异质结构(例如三明治状和Janus结构)很难直接从分子前体中合成,但可以通过部分阳离子交换法轻松获得。例如双界面Cu2-xS/ZnS异质结构的合成,该结构由夹在两个ZnS帽之间的盘状Cu2-xS层组成(图2a)。在阳离子交换过程中,ZnS晶粒在Cu2-xS NC的相对两侧对称地成核,随着ZnS晶粒的生长,中心的Cu2-xS变成了盘状2D层。通过控制阳离子交换的程度可以很好地调节Cu2-xS的厚度。当阳离子交换在NC的中间开始时,也可以获得类似三明治的异质结构。例如,在六方Cu2Se NCs中,Cu+与Pb2+的阳离子交换产生了夹在六方Cu2Se域之间的PbSe条带。 图2 阳离子交换法将Cu1.8S NCs转换为带ZnS帽的三明治状异质结构。 2.2 基于1D种子/模板的外延异质结构 具有化学成分的空间受控分布的外延异质结构的合成对于构建多功能材料非常重要。将各向异性的1D NC(例如纳米棒,纳米线,纳米带和分支结构)用作构建异质结构的平台,为在不同位置选择性沉积第二种材料提供了更多的机会。 在一维模板上进行的部分阳离子交换也可能导致一维线性异质结构的形成。例如,CdS纳米棒可以通过用Cu+离子部分替代Cd2+离子而转化为CdS / Cu2S异质结构。阳离子交换反应优先从CdS纳米棒的尖端开始,并且生成的Cu2S区似乎沿单个晶体学方向生长(图3a)。这个过程导致形成Cu2S-CdS线性异质结构(图3b, c)。由于纤锌矿型CdS和正交晶体Cu2S共享相似的阴离子亚晶格,因此当CdS转化为Cu2S时,晶格体积仅减少8%,因此,阳离子交换后纳米棒的形貌和尺寸得以很好地保留。 图3 通过部分阳离子交换合成1D线性结构和1D条纹结构。 2.3 基于2D种子/模板的外延异质结构 对于具有层状晶体结构的2D纳米材料,在基面上没有表面悬空键,使它们成为构造范德华外延异质结构的极佳平台,可以容忍非常大的晶格失配。但是,溶液中范德华力弱,很难通过湿化学方法合成外延异质结构。最近,作者团队证明了在溶液相中嵌入和剥离的单层MoS2NS上,贵金属NC可以外延生长,包括Pd,Pt和Ag(图4a-f)。目前已经发现两种外延取向,即(111)和(101)取向,在MoS2(001)表面上生长的金属NC上共存。 近年来,二维纳米材料由于其卓越的性能以及在电子和光电子领域的潜在应用而吸引了巨大的关注。目前已经制造出两种类型的2D纳米片/纳米板。第一种2D纳米材料由具有2D晶体结构(例如TMD)的层状半导体制成。第二种类型由具有非分层晶体结构的半导体组成,例如具有纤锌矿或锌混合结构的II–VI半导体。两种类型的厚度均可原子层面控制高精度,使二维纳米材料具有独特的物理和化学特性。 图4 Cu2-xS-MoX2(X=S或Se)外延异质结构合成的示意图。 III 基于半导体纳米材料的外延异质结构的性质和应用 到目前为止,已经通过湿化学方法制备了各种具有不同结构和组成的基于半导体纳米材料的外延异质结构。这些具有独特光学和电学性质的纳米材料已显示出许多潜在的应用,包括发光器件(LED),太阳能电池,光电探测器,生物成像/传感和催化。本章节中简要介绍通过湿化学方法制备的外延异质结构在某些潜在应用中的独特优势。 3.1发光器件 具有核壳结构的胶体量子点已被广泛用于发光应用。量子点在LED应用中的巨大优势来自其可调节的带隙、高量子效率和可加工性。精确控制量子点尺寸和形状的能力使研究人员可以根据量子尺寸效应对量子点的带隙进行微调。连同各种化学成分和化学计量比,可以实现有效发射的系统且精确的光谱可调性(图5a)。例如,基于CdSe的核壳结构量子点用于可见波长LED,而基于PbS的异质结构是近红外设备的首选材料,如图5b所示。 图5 有不同成分的核壳结构量子点的PL照片。 3.2催化领域 基于半导体的外延异质结构也已被用作光催化产氢(HER)和亚甲基蓝光降解的光催化剂。作者团队评估了使用Cu2-xS-MoS2外延异质结构作为模板通过表面阳离子交换合成的CdS-MoS2外延异质结构的HER活性。阳离子交换后,获得的CdS-MoS2异质结构仍保持其原始结构(图6f-h)。MoS2沿外延方式沿一维CdS纳米线的纵向垂直生长。具有7.7wt%的MoS2纳米片负载的CdS‑MoS2异质结构在光催化HER中表现出优异的性能,H2产生率高达4647μmol/h/g,约为纯CdS催化剂的58倍(图6i)。 图6 CdS-MoS2外延异质结构以及其HER活性。 作者简介 张华 (本文通讯作者) 南洋理工大学香港城市大学 ▍ 主要研究领域 贵金属纳米结构、石墨烯、二维过渡金属硫化物、二维金属有机框架及复合材料的合成及其在DNA检测、催化、传感等领域的应用。 ▍ 主要成果与荣誉 亚太材料科学院院士(APAM),英国皇家化学学会会士(FRSC)。曾获WCC特别表彰奖和南洋杰出研究奖等。 入选“全球最有影响力科学思想科学家名录”和“高被引科学家名单”,“17位当今最具影响力科学家之一”和“世界最具影响力科学家”。在Science, Nat. Chem., Nat. Rev. Mater., Nat. Commun., Sci. Adv., Nat. Protocols, Chem. Rev. 等国际知名学术杂志上发表论文450余篇,其中影响因子大于10的203篇,引用超过53900次,H指数115。 Email: hzhang@ntu.edu.sg hua.zhang@cityu.edu.hk 撰稿: 《纳微快报》编辑部 编辑:《纳微快报》编辑部 关于我们 Nano-Micro Letters是上海交通大学主办的英文学术期刊,主要报道纳米/微米尺度相关的最新高水平科研成果与评论文章及快讯,在Springer开放获取(open-access)出版。可免费获取全文,欢迎关注和投稿。 E-mail: editorial_office@nmletters.org Tel: 86-21-34207624
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VASP+BoltzTrap热电计算程序安装
热度 4 mazuju028 2014-3-4 09:04
1. 准备的文件: ( 1 ) .VASP5.2.11 程序包; ( 2 ) .BoltzTrap_vasp 程序包(来源 Wenqing Zhang 课题组); 2.VASP 编译安装 ( 1 ) . 修改 VASP 的 main.F 在 CALL DUMP_ALLOCATE(IO%IU6) 前添加以下代码,目的是产生SYSMETRY文件: ---------------------------------------------------------- !added by John. Yang for TE calculations OPEN(UNIT=38,FILE=SYMMETRY,STATUS=REPLACE) WRITE(38,(I12))NROTK DO NEDOS=1,NROTK ! I DON'T WANT TO DEFINE A NEW INTEGER VARIABLE, SO HERE I USE NEDOS WRITE(38,(3F10.5)) IGRPOP(1,1,NEDOS)*1.0,IGRPOP(1,2,NEDOS)*1.0,IGRPOP(1,3,NEDOS)*1.0 WRITE(38,(3F10.5)) IGRPOP(2,1,NEDOS)*1.0,IGRPOP(2,2,NEDOS)*1.0,IGRPOP(2,3,NEDOS)*1.0 WRITE(38,(3F10.5)) IGRPOP(3,1,NEDOS)*1.0,IGRPOP(3,2,NEDOS)*1.0,IGRPOP(3,3,NEDOS)*1.0 WRITE(38,*) ENDDO CLOSE(38) ----------------------------------------------------------------------------- · 对 vasp5.2.11 版本,以上修改经过测试,可编译成功。 · 对 vasp4.6 版本,在 CALL TIMING 前添加,测试可编译成功。 ( 2 )编译 VASP, 具体设置参照之前的文章: vasp5.2 安装 (fftw3.3+Gotoblas) 3.BoltzTrap_vasp 程序包编译: ( 1 )参照组里的编译环境,对 Makefile 进行如下修改:主要改动 BLAS,LAPACK,LIBS 这几个参数,以下仅显示 makefile 的部分内容; ------------------------------------------------------------ SHELL = /bin/sh FC =ifort FOPT = -FR -mp -C -g FOPT = -FR -mp LINKER = $(FC) LFLAGS = FGEN = BLAS= /usr/local/lib/libgoto2.so LAPACK= ../vasp5.2.11/vasp.5.lib/lapack_double.o LIBS = -L../vasp5.2.11/vasp.5.lib -ldmy \ ../vasp5.2.11/vasp.5.lib/linpack_double.o $(LAPACK) \ $(BLAS) LDFLAGS = -L/export/mathlib/mkl/8.1.1/lib/em64t -Vaxlib -pthread DESTDIR = . EXECNAME = BoltzTrap_vasp ------------------------------------------------------------ ( 2 ) cp BoltzTrap_vasp ~/bin/ 4, 计算, ( 1 ) VASP 自洽计算(待考证是自洽计算还是 DOS 计算) ( 2 )建立文件:文件夹名 .intrans 文件夹名 .intrans( 以下参数设置待考证,可以参考 UserGuide.pdf ) -------------------------------------------------------------- VASP 0 0 0 0.0 0.233 0.0001 0.4 52 CALC # CALC (calculate expansion coeff), NOCALC read from file 5 # lpfac, number of latt-points per k BOLTZ # run mode (only BOLTZ is supported) 0.15 # (efcut) energy range of chemical potential 900. 900. # Tmax, temperature grid 0. # energyrange of bands given individual DOS output sig_xxx and dos_xxx (xxx is band number) ------------------------------------ ( 3 )执行: /home/zjma/setup/BoltzTrap_vasp/x_trans BoltzTrap_vasp ( 4 )结果在 文件夹名 .trace及.condtens 文件中。 转载请说明
个人分类: 泛舟学海|23816 次阅读|7 个评论
雾霾与取暖的关系不太大
热度 2 jiangming800403 2013-10-21 14:48
回吕老师的博文: 来暖气了!而且,哈尔滨也开始“喂人民服雾”了 用煤最多的是发电(大约50%),其次是炼铁和烧水泥(接近30%),而且市里的暖气可能也是主要来自热电厂里或其他工业企业的余热 在秦岭-淮河一线以北有冬季取暖需求的城镇里,集中供热面积已经占到了总建筑面积的2/3,其中一半是热电站供热,加之其他工业余热利用,可能40%以上的建筑面积的冬季热源来自火电站和其他工厂的余热,这部分采暖实际上并不可能增加空气污染的排放。另外还大约有1/4的建筑面积由独立锅炉房供暖,主要是燃煤锅炉,但大城市中的燃气锅炉正在增加,特别是热、电、冷联产技术(BCHP)被认为是一种先进的能源利用方式。 至于占建筑面积的1/3的独立采暖则比较复杂,但是在大中城市采用电(空调)、气(燃气锅炉)的比例是越来越大,用煤和柴草取暖主要在中小城市、小城镇和农村。 总体而言依赖独立燃煤锅炉的冬季取暖面积约占我国北方城镇建筑面积的40%-50%。 如果在长江流域利用火电站和工厂余热,发展天然气热、电、冷联产技术(BCHP),则冬季供暖应该不会造成严重的能源和空气污染问题。
个人分类: 能源、大气环境与气候变化|3313 次阅读|5 个评论
高阻值热电材料的Seebeck系数测量
热度 1 caihaoyuan 2013-4-9 09:23
去年的一个主要工作,搭建了能够测量高阻值热电材料(1e12 ohm)的Seebeck系数的实验平台。 论文见附件。 有需要开展这方面研究的同行,欢迎联系。 Apparatus for measuring the Seebeck coefficients of highly resistive.pdf
个人分类: Seebeck;热电;高阻测量|5187 次阅读|1 个评论
[转载]热电材料转化效率研究进展
林凡 2011-1-19 18:14
Advances in the conversion efficiency of thermoelectric materials 作者: Mike Millikin Two separate research collaborations have recently reported advances in the efficiency of thermoelectric materials in converting heat to electricity. A collaboration including researchers from Boston College, MIT, the University of Virginia and Clemson University have achieved a peak ZT (thermoelectric figure of merit) of 0.8 at 700 °C (973 K), in half-Heusler alloys—about 60% higher than the best reported ZT of 0.5 for the materials and possibly good enough for consideration for waste heat recovery in automotive exhaust systems. The study by Yan et al. was published in the ACS journal Nano Letters . And a team from Northwestern University and the University of Michigan reported experimentally achieving a ZT of 1.7 at ~800 K (527 °C) by structurally modifying lead telluride. The high thermoelectric figure of merit is expected to enable the conversion of 14% of heat waste to electricity. The study by Biswas et al. was published in Nature Chemistry . ZT of ball-milled and hot-pressed sample in comparison with that of the ingot. Credit: ACS, Yan et al. Click to enlarge. Yan et al. Half-Heusler alloys (ferromagnetic intermetallic alloys with a particular composition and face-centered cubic crystal structure) have been identified as prospective materials for high temperature thermoelectric power generation due to their high temperature stability and abundance if their dimensionless thermoelectric figure of merit (ZT) could be made high enough. One of the challenges with half-Heuslers is their high thermal conductivity (reported higher than 4W m-1 K-1) which diminishes the thermoelectric effect. Yan et al. used a nanocomposite approach using ball milling and hot pressing to embed nanostructures and reduce the grain size of the material to achieve their peak ZT of 0.8. The improvement comes from a simultaneous increase in Seebeck coefficient and a significant decrease in thermal conductivity due to nanostructures, they said. The samples were made by first forming alloyed ingots using arc melting and then creating nanopowders by ball milling the ingots and finally obtaining dense bulk by hot pressing. Although we have achieved a significant enhancement in ZT of p-type half-Heusler alloys, there remains much room for further improvement. The average grain size of 100-200 nm of our hot pressed bulk samples is much larger than the 5-10 nm of the ball-milled precursor nanopowders, which is why the lattice thermal conductivity is still very high. If we can preserve the grain size of the original nanopowders, a much lower thermal conductivity and thus a much higher ZT can be expected. Besides boundary scattering, minor dopants may also be introduced to enhance the alloy scattering, provided that they do not deteriorate the electronic properties. The ZT values we report here are very reproducible within 5% from run to run on more than 10 samples made under the similar conditions. —Yan et al. This work paves the way for half-Heuslers to become competitive candidates for use in automotive exhaust systems and other power generation systems, Xiao Yan, a research associate in Prof. Zhifeng Ren’s group at Boston College, suggested. ZT as a function of temperature for PbTe–SrTe samples doped with 1% Na2Te. The ZT of a control sample with no SrTe is also shown for comparison. Credit: Nature Chemistry, Biswas et al. Click to enlarge. Biswas et al. Although nanostructuring in bulk materials can dramatically reduce thermal conductivity (enhancing the thermoelectric effect), it can simultaneously increase the charge carrier scattering, which has a detrimental effect on the carrier mobility (dampening the thermoelectric effect), Biswas et al. note in their paper. The team experimentally achieved concurrent phonon blocking and charge transmitting via the endotaxial placement of SrTe (strontium telluride) nanocrystals at concentrations as low as 2% incorporated in a PbTe (lead telluride, a well-known thermoelectric material for use in the temperature range 400-900 K) matrix doped with Na2Te (sodium telluride). This effectively inhibits the heat flow in the system but does not affect the hole mobility, allowing a large power factor to be achieved. The crystallographic alignment of SrTe and PbTe lattices decouples phonon and electron transport and this allows the system to reach a thermoelectric figure of merit of 1.7 at ~800 K. —Biswas et al. It has been known for 100 years that semiconductors have this property that can harness electricity. To make this an efficient process, all you need is the right material, and we have found a recipe or system to make this material. —,Mercouri Kanatzidis, the Charles E. and Emma H. Morrison Professor of Chemistry at Northwestern Resources Xiao Yan, Giri Joshi, Weishu Liu, Yucheng Lan, Hui Wang, Sangyeop Lee, J. W. Simonson, S. J. Poon, T. M. Tritt, Gang Chen, and Z. F. Ren (2010) Enhanced Thermoelectric Figure of Merit of p-Type Half-Heuslers. Nano Lett., Articles ASAP doi: 10.1021/nl104138t Kanishka Biswas, Jiaqing He, Qichun Zhang, Guoyu Wang, Ctirad Uher, Vinayak P. Dravid and Mercouri G. Kanatzidis (2011) Strained endotaxial nanostructures with high thermoelectric figure of merit. Nature Chemistry (2011) doi: 10.1038/nchem.955
个人分类: 热电材料|2949 次阅读|0 个评论

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