臺灣博碩士論文加值系統

利用水熱法製備Bi2Te2.7Se0.3的與Bi0.88Sb0.12奈米材料，進行XRD、電阻率、熱電力、霍爾效應以及熱導度的量測。並改變實驗參數以期得到較佳的熱電性質。
Bi2Te2.7Se0.3方面，藉由摻雜次微米碳球、改變水熱法反應溫度，以及製作奈米複合材料，希望能找到較好的熱電性質。實驗中發現，摻雜碳球與改變水熱法溫度可以有效提升樣品的Power factor，而奈米複合材料的部份，雖然熱導度與熱電力皆有所改善，但是由於電阻率大幅增加，導致Power factor與Z值變差。在條件為水熱法反應溫度170℃，時間24小時，燒結溫度340℃，時間10小時的時候，樣品在288K有最大的Power factor值18.8 μW/K2-cm。
Bi0.88Sb0.12方面，利用田口法找出較好的實驗參數(分別為水熱法反應溫度、時間與燒結溫度、時間四個條件)組合，並得到較好的熱電性質。在十次的實驗中，最好的條件為水熱法反應溫度170℃，時間48小時，燒結溫度170℃，時間10小時，樣品在214.9K時有最大的Power factor值41.3 μW/K2-cm。

Bi2Te2.7Se0.3 and Bi0.88Sb0.12 nanopowders have been synthesized by hydrothermal method. Measuring their X-ray diffraction, resistivity, Seebeck coefficient, Hall effect and thermal conductivity. Change the experiment parameter to improve their thermoelectric properties.
In Bi2Te2.7Se0.3 series, we hope to improve thermoelectric properties of B i2Te2.7Se0.3 by doping submicron carbon sphere, changing hydrothermal temperature and making nano-composite material. In the experiment, doping submicron carbon sphere and changing hydrothermal temperature can improve power factor of samples effectively. Although making nano-
composite material can improve thermal conductivity and Seebeck coefficient, but resistivity also increases, for this reason, power factor and figure of merit are decreasing. The maximum power factor is 18.8 μW/K2-cm(hydrothermal temperature is 170°C for 24 hr; sinter temperature is 340°C for 10 hr).
In Bi0.88Sb0.12 series, we change experiment parameter to improve thermoelectric properties of samples by using Taguchi method. In the experiment, the maximum power factor is 41.3 μW/K2-cm(hydrothermal temperature is 170°C for 48 hr; sinter temperature is 170°C for 10 hr).

第一章 簡介..............................................1
1.1 前言..............................................1
1.2 研究目的...........................................3
1.3 Bi2(Te,Se)3與Bi2Te3材料的特徵......................4
1.4 Bi-Sb材料的特徵....................................5

第二章 實驗基本原理.......................................7
2.1 X光繞射............................................7
2.2 熱電效應..........................................13
2.2.1 電阻率.........................................14
2.2.2 熱電力.........................................16
2.2.3 熱導度.........................................18
2.3 水熱法............................................20

第三章 實驗方法..........................................21
3.1 電阻量測..........................................21
3.2 熱電力量測........................................22
3.3 田口方法..........................................23
3.3.1 全因子法.......................................24
3.3.2 田口直交表.....................................25
3.3.3 品質特性.......................................26

第四章 Bi2Te2.7Se0.3系列之結果與討論......................30
4.1 製備方法..........................................30
4.2 Bi2Te2.7Se0.3的結構分析...........................32
4.3 摻雜次微米碳球前後Bi2Te2.7Se0.3的熱電性質比較........39
4.3.1 電性分析.......................................39
4.3.2 熱電力分析.....................................42
4.3.3 Power factor比較..............................44
4.4 改變水熱法的反應溫度對Bi2Te2.7Se0.3熱電性質的影響....46
4.4.1 電性分析.......................................46
4.4.2 熱電力分析.....................................48
4.4.3 Power factor比較..............................50
4.5 奈米複合材料系列...................................51
4.5.1 電性分析.......................................51
4.5.2 熱電力分析.....................................53
4.5.3 Power factor以及Z值的比較......................55

第五章 Bi0.88Sb0.12系列之結果與討論.......................57
5.1 製備方法..........................................57
5.2 Bi0.88Sb0.12的結構分析............................60
5.3 利用田口法分析Bi0.88Sb0.12的實驗結果................64

第六章 結論...........................................79

參考資料................................................81

圖目錄
圖 1.3.1 Bi2(Te,Se)3的結構圖.....................................................5
圖 1.4.1 Bi-Sb的結構圖....................................................6
圖 1.4.2 Bi-Sb的a軸與c軸長度會隨著Sb的含量變化而改變.....6
圖 2.1.1 X光管內部構造圖...............................8
圖 2.1.2 X光譜圖....................................................9
圖 2.1.3 電子由高能階躍遷至低能階，放射出特徵X光.........10
圖 3.1.1 四點電阻量測圖...............................22
圖 3.2.1 熱電力量測圖..................................23
圖 3.3.1 各因子對S/N比的反應圖.........................28
圖 4.1.1 實驗流程示意圖................................31
圖 4.2.1 Bi2Te2.7Se0.3的X-ray繞射模擬圖................33
圖 4.2.2 Bi2Te2.7Se0.3有摻雜碳球(摻雜的重量百分比為1％)與沒有摻雜碳球的X-ray繞射圖.....................................34
圖 4.2.3 不同的水熱法溫度所得到Bi2Te2.7Se0.3的X-ray繞射圖.35
圖 4.2.4 單晶n型Bi2Te3與其摻雜重量百分比10％的Bi2Te2.7Se0.3奈米材料後(奈米複合材料)的XRD圖..............................36
圖 4.2.5 水熱法溫度150℃，時間24小時，所製備的Bi2Te2.7Se0.3的TEM圖形................................................37
圖 4.2.6 水熱法溫度170℃，時間24小時，所製備的Bi2Te2.7Se0.3的TEM圖形。(大範圍)........................................37
圖 4.2.7 水熱法溫度170℃，時間24小時，所製備的Bi2Te2.7Se0.3TEM圖形。(小範圍1).....................................38
圖 4.2.8 水熱法溫度170℃，時間24小時，所製備的Bi2Te2.7Se0.3TEM圖形。(小範圍2)........................................38
圖 4.3.1 Bi2Te2.7Se0.3摻雜碳球前與摻雜後的電阻率對溫度的關係圖....................................................40
圖 4.3.2 在摻雜碳球的樣品中所找到的碳棒..................41
圖 4.3.3 Bi2Te2.7Se0.3摻雜碳球前與摻雜後的熱電力對溫度的關係圖....................................................43
圖 4.3.4 Bi2Te2.7Se0.3摻雜碳球前與摻雜後的Power factor對溫度的關係圖.................................................45
圖 4.4.1 不同水熱法溫度製備的Bi2Te2.7Se0.3電阻率對溫度的關係圖....................................................47
圖 4.4.2 不同水熱法溫度製備的Bi2Te2.7Se0.3熱電力對溫度的關係圖...................................................49
圖 4.4.3 不同的水熱法溫度製備Bi2Te2.7Se0.3的Power factor對溫度的關係圖...............................................50
圖 4.5.1 n型Bi2Te3與其奈米複合材料的電阻率對溫度的關係圖...52
圖 4.5.2 n型Bi2Te3與其奈米複合材料的熱電力對溫度的關係圖...54
圖 4.5.3 n型Bi2Te3與其奈米複合材料的Power factor對溫度的關係圖...........56
圖 5.1.1 實驗流程示意圖..........................59
圖 5.2.1 Bi0.88Sb0.12的X-ray繞射模擬圖...........61
圖 5.2.2 水熱法溫度170℃，時間48小時，所製備的Bi0.88Sb0.12的TEM圖形.............................................61
圖 5.2.3 以各種不同水熱法條件(表 5.1.1中，實驗1-5)製備Bi0.88Sb0.12的X-ray繞射圖........................62
圖 5.2.4 以各種不同水熱法條件(表 5.1.1中，實驗6-9)製備Bi0.88Sb0.12的X-ray繞射圖........................63
圖 5.3.1 以各種不同條件(表 5.1.1中，實驗1-3)製備Bi0.88Sb0.12的低溫電阻率測量結果................................65
圖 5.3.2 以各種不同條件(表 5.1.1中，實驗4-6)製備Bi0.88Sb0.12的低溫電阻率測量結果.................................66
圖 5.3.3 以各種不同條件(表 5.1.1中，實驗7-9)製備Bi0.88Sb0.12的低溫電阻率測量結果.................................67
圖 5.3.4 以各種不同條件(表 5.1.1中，實驗1-3)製備Bi0.88Sb0.12的低溫熱電力測量結果.................................68
圖 5.3.5 以各種不同條件(表 5.1.1中，實驗4-6)製備Bi0.88Sb0.12的低溫熱電力測量結果.................................69
圖 5.3.6 以各種不同條件(表 5.1.1中，實驗7-9)製備Bi0.88Sb0.12的低溫熱電力測量結果.................................70
圖 5.3.7 以各種不同條件(表 5.1.1中，實驗1-3)製備Bi0.88Sb0.12的power factor測量結果..............................72
圖 5.3.8 以各種不同條件(表 5.1.1中，實驗4-6)製備Bi0.88Sb0.12的power factor測量結果..............................73
圖 5.3.9 以各種不同條件(表 5.1.1中，實驗7-9)製備Bi0.88Sb0.12的power factor測量結果..............................74
圖 5.3.10 各個條件對實驗結果的反應圖................76
圖 5.3.11 確認實驗與第九個實驗的power factor比較圖..78

表目錄
表 3.3.1 各擁有兩個水準的四個因子的所有實驗組合......24
表 3.3.2 L18(21×37)直交表........................25
表 3.3.3 定義各因子與水準的代號....................27
表 3.3.4 各因子對S/N比的反應表.....................27
表 3.3.5 各因子對S/N比的反應表.....................28
表 4.3.1 Bi2Te2.7Se0.3摻雜碳球前與摻雜後的載子濃度與遷移率....41
表 4.3.2 圖 4.3.2中圓圈部份的EDAX結果.............41
表 4.4.1 不同的水熱法溫度製備的Bi2Te2.7Se0.3的載子濃度與遷移率...............................................46
表 4.5.1 n型Bi2Te3與其奈米複合材料的載子濃度與載子遷移率...52
表 5.1.1 實驗計畫表..............................58
表 5.2.1 圖 5.2.2的EDAX數據......................61
表 5.3.1 Bi0.88Sb0.12各組實驗的Power factor最大值與S/N..71
表 5.3.2 各條件與水準的代號.......................75
表 5.3.3 各個條件對實驗結果的反應表................75

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【1.2】http://tns.ndhu.edu.tw/~ykkuo/thermoelectric.pdf
【1.3】http://e-info.org.tw/column/EPenergy/2004/
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