臺灣博碩士論文加值系統

本論文主要探討，以化學嵌入法合成奈米級TiO2、SiO2、polyaniline，嵌入至層狀的熱電材料Bi2Se3的層間，來製備Bi2Se3 / TiO2、Bi2Se3 / SiO2及Bi2Se3 / polyaniline等複合材料，並研究這些材料的各種性質。
這些複合材料的檢測是利用PXRD、TEM、Zetasizer、SEM、TGA、GPC、Mass、EA、霍爾效應的測量；以及UV-vis等等。
由PXRD得知未嵌入的Bi2Se3層間距是28.26 Å ；而，Bi2Se3 / TiO2複合材料的層間距是45.53 Å；Bi2Se3 / SiO2為 44.56 Å；而，Bi2Se3 / polyaniline的層間距是43.55 Å。由TEM發現TiO2 粒子的大小大概約為80 nm；SiO2 particle約為40 nm；nanopolyaniline約為30 nm；而Zetasizer知Bi2Se3/TiO2複合材料的粒子尺寸約為400 nm；且 Bi2Se3/SiO2約為600 nm；Bi2Se3 /nanopolyaniline約為700 nm。由SEM觀察到Bi2Se3 / TiO2、Bi2Se3 / SiO2 複合材料皆為片狀結構。經由霍爾效應之測量，發現Bi2Se3 / TiO2、Bi2Se3 / SiO2 及Bi2Se3 /nanopolyaniline複合材料皆為p-型的半導體。由UV-vis測量複合材料的能距，發現Bi2Se3 / TiO2、Bi2Se3 / SiO2 及Bi2Se3 /nanopolyaniline分別為1.7 eV、1.4 eV及1.42 eV。經由GPC測量，3 min nanopolyanoline的分子量為808.76，這與Mass(M.W. = 825.881)測量的結果大致相同。由TGA的檢測，知polyaniline在400 ℃熱分解，發現Bi2Se3 /nanopolyaniline有不錯的熱穩定性；由EA的測量，發現Bi2Se3 /nanopolyaniline之Bi2Se3與Aniline的比例平均為 1 : 10.1 ± 0.3。

ㄧ、 介紹----------------------------------------------------------1
1.1緒言-----------------------------------------------------------1 1.2研究背景
A. 熱電材料分類----------------------------------------------4
B. 熱電材料的應用--------------------------------------------5
C. 熱電材料的優缺點------------------------------------------8
D. 熱電優值--------------------------------------------------9
E. 低維度熱電材料-------------------------------------------12
F. 奈米材料-------------------------------------------------14
G. 奈米複合材料---------------------------------------------14
1.3低維度熱電材料及Bi2Se3插層複合材料之合成----------------------16
1.4實驗設備------------------------------------------------------18
1.5實驗藥品------------------------------------------------------18
1.6檢測儀器------------------------------------------------------19
二、實驗----------------------------------------------------------21
2-1合成Bi2Se3---------------------------------------------------- 21
2-2合成Li1Bi2Se3------------------------------------------------- 22
A. 鋰金屬嵌入硒化鉍 ----------------------------------------- 22
B. 去除液氨 ------------------------------------------------- 26
2-3 Bi2Se3/TiO2 複合材料的合成-------------------------------------27
A. TiO2 溶膠的製備--------------------------------------------27
B. TiO2與Bi2Se3共凝 ----------------------------------------- 28
2-4 Bi2Se3/SiO2複合材料的合成------------------------------------- 29
A. SiO2溶膠製備---------------------------------------------- 29
B. SiO2與Bi2Se3共凝聚---------------------------------------- 29
2-5 Bi2Se3/polyaniline奈米複合材料的合成---------------------------- 30
A. Nanopolyaniline的製備(界面合成法)-------------------------- 30
B. Bi2Se3與nanopolyaniline之共凝聚---------------------------- 30
三、結果與討論-------------------------------------------------- 32
3-1 Bi2Se3/TiO2 複合材料------------------------------------------ 32
A. PXRD分析----------------------------------------------- 32
B. 掃瞄式電子顯微鏡 (SEM) 分析----------------------------- 34
C. 穿透式電子顯微鏡 (TEM) 分析----------------------------- 36
D. Zetasizer 分析 -------------------------------------------- 38
E. UV-Vis光譜分析------------------------------------------- 39
3-2 Bi2Se3/SiO2複合材料------------------------------------------- 40
A. PXRD分析------------------------------------------------ 40
B. 掃瞄式電子顯微鏡 (SEM)分析------------------------------- 42
C. 穿透式電子顯微鏡 (TEM)分析------------------------------- 44
D. Zetasizer 分析----------------------------------------------46
E. UV-Vis光譜分析-------------------------------------------- 47
3-3 Bi2Se3/Polyaniline 複合材料--------------------------------------48
A. PXRD分析 ------------------------------------------------48
B. TGA分析--------------------------------------------------49
C. GPC (膠體層析儀)分析---------------------------------------50
D. Mass Spectroscope (質譜儀)分析-------------------------------54
E. 穿透式電子顯微鏡 (TEM)分析------------------------------- 55
F. Zetasizer 分析---------------------------------------------- 57
G. UV光譜分析----------------------------------------------- 58
H. 由元素分析(EA)計算Bi2Se3/polyaniline的比例------------------ 59
3-4霍爾效應------------------------------------------------------60
A. 霍爾效應之量測方式--------------------------------------- 61
B.霍爾效應-------------------------------------------------- 65
四、結論------------------------------------------------------ 66
五、參考文獻-------------------------------------------------- 67





圖目錄
圖1~熱電元件發電與致冷示意圖-------------------------------------2
圖2~Seebeck效應示意圖，溫度梯度則可產生電位差--------------------5
圖3~Seebeck效應示意圖，顯示熱電元件電流和熱的流向 (T1 > T2)--------6
圖4~Peliter效應的示意圖，有電位差則可產生溫度梯度------------------7
圖5~Peliter效應示意圖，顯示熱電元件電流和熱的流向 (T2 > T1)---------7
圖6~致冷晶片-----------------------------------------------------8
圖7~車用冰箱-----------------------------------------------------8
圖8~載子濃度與S、ρ，與Z值之關係-------------------------------11
圖9~聲子─聲子散射示意圖----------------------------------------12
圖10~奈米複合材料的種類-----------------------------------------15
圖11~Bi2Se3的晶體結構 -------------------------------------------17
圖12~PXRD of (a) Bi2Se3 (as-synthesized)，(b) Bi2Se3 standard------------22
圖13~Li嵌入Bi2Se3層狀熱電材料示意圖 ----------------------------23
圖14~PXRD of (a) Li1Bi2Se3，(b) Bi2Se3 (as-synthesized)-----------------26
圖15~除液氨系統-------------------------------------------------27
圖16~由TTIP合成TiO2 sol的示意圖--------------------------------28
圖17~TiO2 sol 與Bi2Se3 之共凝聚-----------------------------------29
圖18~界面合成法製備nanopolyaniline--------------------------------30
圖19~合成nanopolyaniline及nanopolyaniline與Bi2Se3共凝聚------------31
圖20~PXRDs of (a) TiO2與Bi2Se3 composite ; (b) Bi2Se3------------------32
圖21~PXRDs of TiO2與Bi2Se3 composite------------------------------33
圖22~PXRDs of (a) Bi2Se3 / TiO2 composite；(b) TiO2 (standard)-----------34
圖23~Bi2Se3 / TiO2 composite的電子顯微圖(SEM)----------------------35
圖24~Bi2Se3 / TiO2 composite的電子顯微圖(SEM)----------------------35
圖25~TEM of TiO2 (from TTIP)--------------------------------------37
圖27~Bi2Se3 / TiO2的粒徑分佈圖------------------------------------38
圖28~UV-vis of Bi2Se3/TiO2-----------------------------------------39
圖29~PXRD of (a) SiO2 / Bi2Se3 composite；(b) Bi2Se3 (as-synthesized)------40
圖30~PXRDs of SiO2與Bi2Se3 composite------------------------------41
圖31~Bi2Se3 / SiO2 composite之電子顯微鏡圖(SEM)--------------------42
圖32~Bi2Se3 / TiO2 composite之電子顯微鏡圖(SEM)--------------------43
圖33~TEM of Free SiO2 (from SiCl4)----------------------------------44
圖34~TEM of SiO2 / Bi2Se3 composite---------------------------------45
圖35~Bi2Se3 / SiO2之粒徑分部--------------------------------------46
圖36~UV-Vis of Bi2Se3 / SiO2- --------------------------------------47
圖37~Polyaniline / Bi2Se3 composite ；(a) 3 min及(b) 24 hrs--------------48
圖38~Bi2Se3/Polyaniline(反應時間3 min) composite的TGA圖------------49
圖39~GPC of Polystyrene標準圖-------------------------------------50
圖40~ polystyrene時間對分子量的GPC圖----------------------------51
圖41~Polyaniline(反應時間為24 hr)的GPC圖--------------------------52
圖42~Polyaniline(反應時間為3 min)的GPC圖-------------------------53
圖43~Polyaniline(反應時間3 min)的質譜圖----------------------------54
圖44~TEM of nanopolyaniline(反應時間為3 min)-----------------------55
圖45~TEM of polyaniline(反應時間為 24 hr)--------------------------56
圖46~TEM of Bi2Se3/polyaniline複合材料-----------------------------56
圖47~Bi2Se3 / polyaniline之粒徑分佈圖-------------------------------57
圖48 ~UV-vis of Bi2Se3 / polyaniline----------------------------------58
圖49~
(a) 霍爾效應示意圖
(b) 古典霍爾效應中霍爾電阻與縱向電阻與磁場強度關係---------------61
圖 50~
(a) Van der Pauw 霍爾量測試片示意圖
(b) 真實量測試片-------------------------------------------------64


表目錄
表1~NH3在不同溫度下氨的蒸氣壓----------------------------------25
表2~Polyaniline(反應時間為24 hr)(GPC數據)-------------------------52
表3~Polyaniline(反應時間為3 min)(GPC數據)-------------------------53
表4~ EA of Bi2Se3 / polyaniline composite------------------------------59
表5~不同成分試片的電阻率、霍爾係數、載子濃度，及霍爾遷移率-------65

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