CN102985359A - 基于超薄纳米线和基于纳米级异质结构的热电转换结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

公开包含碲的杆状结晶结构的超薄碲纳米线结构，其中结晶结构由5-6nm之间的直径限定。此外，公开包含碲化铅和碲化铋之一的杆状结晶结构的超薄碲基纳米线结构，其中超薄碲纳米线结构用作前体以产生杆状结晶结构。而且，公开包含哑铃状结晶异质结构的纳米级异质结构碲基纳米线结构，该哑铃状结晶异质结构具有中心杆状部分和连接至各中心杆状部分的各端的一个八面体结构，其中中心杆状部分是碲基纳米线结构并且八面体结构是碲化铅、碲化镉和碲化铋之一。

Description

基于超薄纳米线和基于纳米级异质结构的热电转换结构及其制备方法
优先权
本申请要求美国临时申请系列号61/327,192和61/327,199二者的权益，其全部内容以引用方式并入本文。
技术领域
本公开整体涉及适合用于热电转换的材料，并且特别地涉及具有基于纳米线和基于纳米级异质结构的结构的材料及其制备方法。
背景
在当今世界，热能的产生是几乎每种活动的副产物。实例为内燃机的运行；使用白炽灯泡照明；发电机的运行等。目前，大部分产生的热能损失，因而认为其被浪费。将一些或大部分热能回收并将其转化为有用的能量形式，这是有益的。
热电装置提供一种方式以将热能转化为电能。位于热储罐和冷储罐之间的热电装置可将这些储罐之间的热差值转化为电流。该方法的逆过程(即，将电流施加至热电装置)可用于转移来自第一主体的热量至第二主体，从而冷却第一主体。参照图16，示出现有技术使用热电材料的应用示意图。
热能转化为电流的原理通常称为塞贝克效应(Seebeck effect)。可将塞贝克效应作如下解释。由于塞贝克效应，在两种不同材料的连接处热梯度ΔΤ=TH-TC(参见图4)可产生电压ΔV。产生的电压由下式计算：
S = ΔV ΔT - - - ( 1 ) ,
其中S是塞贝克系数，
ΔV是产生的电压；并且
ΔΤ是热梯度。塞贝克系数是为正数或负数取决于载体是为空穴(hole)或电子。塞贝克系数越高，则相同热梯度ΔΤ产生的电压ΔV越高。
品质因数(Figure of Merit)是测定热电材料和结构的效能的一种方法。品质因数简称为ZT并且表示为：
ZT = S 2 σ κ T - - - ( 2 ) ,
其中S是塞贝克系数，
σ是导电率，
κ是导热率，并且
T是温度。从(2)中显而易见，为了获得高品质因数，热电材料需要低导热率和高导电率。低导热率减缓从热主体至冷主体的热转移。高导电率降低由于电阻导致的电损失。
现有技术中已经有其他人研究不同结构以改善不同热电材料的品质因数。热电材料的实例为碲化铋(Bi2Te3)和碲化铅(PbTe)。然而，除了材料选择之外，提高热电转换的效率的另一方法为通过材料的结构。
需要提供提高热电转换效率的材料选择、结构及其制备方法。
发明概要
根据本公开的一方面，公开了超薄碲纳米线结构。纳米线结构包括碲的杆状结晶结构，其中结晶结构由5-6nm之间的直径限定。
根据本公开的另一方面，公开了超薄碲基纳米线结构。纳米线结构包括碲化铅和碲化铋之一的杆状结晶结构，其中超薄碲纳米线结构用作前体以产生杆状结晶结构。
根据本公开的另一方面，公开了纳米级异质结构碲基纳米线结构。纳米线结构包括具有中心杆状部分和一个八面体结构的哑铃状结晶异质结构，该一个八面体结构连接至每个中心杆状部分的各端，其中中心杆状部分是碲基纳米线结构并且八面体结构是碲化铅、碲化镉和碲化铋之一。
附图简述
图1A和1B是示出不同比例下(A在200nm下以及B在10nm下)具有约5.5±0.5nm的平均直径的超薄碲纳米线结构的透射电子显微镜(TEM)图像。
图2A和2B是在不同比例下(A在100nm下以及B在20nm下)超薄碲化铅纳米线结构的TEM图像。
图2C和2D是在不同比例下(C在100nm下以及D在20nm下)在将醋酸铅和硝酸铋五水合物前体溶液注入碲纳米线溶液之后超薄碲化铋纳米线结构的TEM图像。
图3是碲、碲化铅和碲化铋纳米线结构的X-射线衍射图案。
图4A和4B是示出在不同放大倍数下(A在200nm下以及B在20nm下)具有约20nm的直径和范围为1.2至1.5微米的长度的碲纳米线结构的TEM图像。
图5是碲纳米线结构的X-射线衍射图案。
图6A和6B是在不同放大倍数下(A在200nm下以及B在50nm下)碲-碲化铅哑铃状异质结构纳米线结构的TEM图像。
图7是合成的碲-碲化铅哑铃状异质结构纳米线结构的X-射线衍射图案。
图8A和8B是在不同放大倍数下(A在500nm下以及B在100nm下)碲化镉-碲化铅哑铃状异质结构纳米线结构的TEM图像。
图9是碲化镉-碲化铅哑铃状异质结构纳米线结构的X-射线衍射图案。
图10A和10B是在不同放大倍数下(A在500nm下以及B在200nm下)碲化铋-碲化铅哑铃状异质结构纳米线结构的TEM图像。
图11是碲化铋-碲化铅哑铃状异质结构纳米线结构的X-射线衍射图案。
图12是通过放电等离子烧结(spark plasma sintering)压缩的碲化铅纳米线原始样品的导电率对温度的绘图。
图13是通过等离子烧结压缩的碲化铅纳米线原始样品的塞贝克系数的绘图。
图14是在室温下通过放电等离子烧结压缩的碲化铅纳米线原始样品的定标振幅对频率的绘图。
图15是各样品的热电品质因数(ZT)对温度的绘图。
图16是现有技术使用热电材料的应用示意图。
详述
为了便于理解本公开的原理，现参照附图中示出以及在以下书面说明中所描述的实施方案。应理解，并非旨在对本公开的范围进行限制。另外应理解，本公开包括对示出的实施方案的任何更改和修改，并且包括本公开所属领域的普通技术人员通常进行的进一步应用。
本公开提供新型方法以产生新型基于超薄纳米线的结构以及基于纳米级异质结构的结构，从而将其用作在热电转换中使用的材料。首先，描述产生新型超薄纳米线结构的新型方法。其次，描述产生新型基于纳米级异质结构的结构的新型方法。
基于超薄纳米线的结构
本公开提供合成超薄碲化铅(PbTe)和碲化铋(Bi2Te3)纳米线结构的有效方法。所描述的方法产生具有约或小于10nm的直径的新型纳米线结构。本方法包括利用超薄碲(Te)纳米线结构作为原位模板(in-situ template)。通过将铅(Pb)或铋(Bi)前体溶液注入包含Te纳米线的溶液来进行从Te至PbTe或者BixTe1-x的相转移。
通过两步骤方法来制备合成的PbTe和Bi2Te3超薄纳米线结构。首先，合成Te纳米线结构以用作原位模板。
超薄Te纳米线结构的合成
在典型的合成中，通过加热将一定体积(例如，10ml)的乙二醇(CH2OHCH2OH)、一定量(例如，0.1-1g)的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、一定量(例如，0.2-0.8g)的碱(氢氧化钠(NaOH)或氢氧化钾(KOH))以及一定量(例如，0.2-2mmol)的二氧化碲(TeO2)或亚碲酸盐(亚碲酸钠(Na2TeO3)或亚磅酸钾(K2TeO3))溶解在乙二醇中，从而形成透明/半透明溶液。接着，在100-180℃下将一定量(例如0.2-1ml)的水合肼(H2NNH2.H2O)溶液加入所准备的溶液中。肼的浓度可以为24-100%之间，在约20分钟之后，能获得具有5.5±0.5nm的平均直径和至多数微米的长度的超薄Te纳米线结构。参照图1A和1B，示出在不同比例下(A在200nm下以及B在10nm下)具有约5.5±0.5nm的平均直径的超薄碲纳米线结晶结构的透射电子显微镜(TEM)图像。
超薄金属碲化物纳米线结构的合成
使用合成的超薄Te纳米线结构作为原位模板，通过将相关的金属前体注入包含Te纳米线结构的溶液能制备金属碲化物纳米线结构。通过将醋酸铅三水合物(Pb(CH3COO)2.3H2O)和硝酸铋五水合物(Bi(NO3)3.5H2O)分别注入乙二醇前体溶液，然后使溶液反应约30分钟能获得具有9.5±0.5nm的直径的PbTe纳米线结晶结构以及具有7.5±0.5nm的直径的BixTe1-x纳米线结晶结构。注入的金属前体的量根据相应化合物中元素摩尔比来计算。参照图2A和2B，示出在不同比例下(A在100nm下以及B在20nm下)超薄碲化铅纳米线结构的TEM图像。参照图2C和2D，示出在不同比例下(C在100nm下以及D在20nm下)在将醋酸铅和硝酸铋五水合物前体溶液注入碲纳米线溶液之后超薄碲化铋纳米线结构的TEM图像。
为了验证从Te至PbTe或Bi2Te3纳米线结构的相转移，获得这三种材料的X-射线衍射图案。参照图3，示出碲、碲化铅和碲化铋纳米线结构的X-射线衍射图案。如可在图3中观察到，纳米线结构可分别检索到纯Te、PbTe和Bi2Te3，其表明在注入Pb或Bi前体溶液之后PbTe和Bi2Te3形成。
在约室温和500°K的温度下，PbTe和Bi2Te3分别是非常合适的热电转换候选物。通过制备具有小于10nm的直径的新型纳米线结构，可显著降低导热率，从而通过增加塞贝克系数来提高热电品质因数。应当理解，以上所述溶液相方法可容易地扩展和重复以用于热电转换装置的大规模部署。
合成的纳米线结构均匀并且其是具有小于10nm(例如，具有约9.5±0.5nm的直径的PbTe；以及具有约7.5±0.5nm的直径的Bi2Te3)的直径和至多数微米的长度的结晶。此外，PbTe和Bi2Te3纳米线结构均具有粗糙表面。与相应的原始材料相比较，这些性能有利于降低这些材料的导热率。而且，PbTe和Bi2Te3纳米线结构的精确形成可通过调节Pb或Bi前体和TeO2之间的摩尔比来控制。该特征可有助于确定应用于热电装置的最有效材料体系。应当理解，通过简单地改变前体溶液也可将公开的方法用于合成其他金属碲化物纳米线结构。
基于纳米级异质结构的结构的合成
本公开描述导致合成适合用于热电转换的基于纳米级异质结构的新型结构的方法步骤。本方法描述使用基于乙二醇的溶液以用于合成三种新型哑铃状纳米线异质结构。这些结构基于碲-碲化铅(Te-PbTe)、碲化镉-碲化铅(CdTe-PbTe)和碲化铋-碲化铅(Bi2Te3-PbTe)组合物。首先，准备明确限定的具有约20nm的直径的Te纳米线结构。此后，将Pb前体溶液注入包含Te纳米线结构的溶液中。结果，PbTe八面体结构选择性生长在Te纳米线结构的两端，从而形成Te-PbTe哑铃状结构。为了获得CdTe-PbTe和Bi2Te3-PbTe哑铃状结构，将镉(Cd)前体或铋(Bi)前体溶液分别注入Te-PbTe异质结构纳米线溶液。中心Te部分与还原的Cd或Bi原子反应，从而形成CdTe或Bi2Te3纳米线结构，然后可获得CdTe-PbTe和Bi2Te3-PbTe部分。
Te纳米线合成结构
合成Te纳米线结构的方法类似于以上所述合成超薄纳米线结构的方法。然而，一个差别为在纳米线合成方法结束时，在100-180℃下加入水合肼溶液之后，使所得溶液静置约20分钟至一小时。获得的Te纳米线结构具有约20±2nm的平均直径和范围为1.2至1.5微米的长度。参照图4A和4B，示出在不同放大倍数下(A在200nm下以及B在20nm下)具有约20nm的直径和范围为1.2至1.5微米的长度的碲纳米线结构的TEM图像。而且，参照图5，提供碲纳米线结构的X-射线衍射图案。如图5所示，X-射线衍射图案证实形成纯六方Te相，其可根据粉末衍射标准联合委员会(Joint Committee on PowderDiffraction Standards)(JCPDS)No.79-0736来检索。如所示，可将明确限定的Te纳米线结构用作哑铃状异质结构纳米线结构生长的原位模板。
哑铃状异质结构纳米线结构的合成
为了产生Te-PbTe异质结构纳米线结构，通过将Pb(CH3COO)23H2O或Pb(NO3)23H2O溶解在1-3ml乙二醇中来制备Pb前体溶液。用于合成Te纳米线结构的Pb(CH3COO)23H2O或Pb(NO3)23H2O与TeO2之间的摩尔比优选小于1。为了合成Te-PbTe哑铃状异质结构纳米线结构，在100-180℃下，将Pb前体溶液注入Te纳米线溶液，随后加入具有24-80%浓度的另外的0.2-1ml肼溶液。在约20分钟之后，可获得Te-PbTe哑铃状异质结构纳米线结构。
参照图6A和6B，示出在不同放大倍数下(A在200nm下以及B在50nm下)碲-碲化铅哑铃状异质结构纳米线结构的TEM图像。如可观察到的，哑铃状结构包括具有两个PbTe八面体结构的Te纳米线结构，该PbTe八面体结构选择性生长在纳米线结构的两端。如从TEM图像所估算，Te纳米线的直径和长度与合成的Te纳米线结构基本相同，并且PbTe八面体结构的边长为约65nm。参照图7，示出合成的碲-碲化铅哑铃状异质结构纳米线结构的X-射线衍射图案。根据JCPDS No.79-0736和No.78-1905，可容易地将示出在图7中的X-射线衍射图案分别检索到六方Te相和立方体PbTe相。
通过使中心Te纳米线部分与镉(Cd)或Bi前体选择性反应，可将合成的Te-PbTe哑铃状结构进一步转化为碲化镉-碲化铅(CdTe-PbTe)和碲化铋-碲化铅(BixTe1-x-PbTe)哑铃状异质结构纳米线结构。为了合成CdTe-PbTe哑铃状异质结构纳米线结构，可使用Cd前体溶液。可通过将氯化镉(CdCl2)或硝酸镉(Cd(NO3))或者醋酸镉(Cd(Ac)2)溶解在1-3ml乙二醇中来制备Cd前体溶液。然后可将Cd前体注入包含Te-PbTe哑铃状异质结构纳米线结构的溶液中。Cd和Te之间的摩尔比为约1:1，并且通过将总Te前体减去与Pb前体反应的那些Te前体可计算量。为了合成BixTe1-x-PbTe哑铃状异质结构纳米线结构，通过将BiCl3或Bi(NO3)3或Bi(CH3COO)3溶解在1-3ml乙二醇中来制备Bi前体溶液。
然后可将Bi前体注入包含Te-PbTe哑铃状异质结构纳米线结构的溶液中。可通过调整制备Bi前体溶液时Bi前体的量来控制BixTe1-x中的x值。参照图8A和8B，提供在不同放大倍数下(A在500nm下以及B在100nm下)碲化镉-碲化铅哑铃状异质结构纳米线结构的TEM图像。
除了中心CdTe部分的直径为约30nm之外，所得产物的形态与Te-PbTe哑铃状结构的形态非常类似，该中心CdTe部分的直径稍微大于Te-PbTe哑铃状结构中的中心Te部分的直径。此外，CdTe-PbTe所得产物的XRD图案与Te-PbTe哑铃结构的图案非常不同。参照图9，提供碲化镉-碲化铅哑铃状异质结构纳米线结构的X-射线衍射图案。根据JCPDS卡片No.75-2083和No.78-1905，XRD可检索到立方体CdTe和立方体PbTe相，这表明形成CdTe中心部分。参照图10A和10B，提供在不同放大倍数下(A在500nm下以及B在200nm下)碲化铋-碲化铅哑铃状异质结构纳米线结构的TEM图像。这些结构与CdTe-PbTe结构类似。然而，参照图11，示出碲化铋-碲化铅哑铃状异质结构纳米线结构的X-射线衍射图案，根据JCPDS卡片No.72-2036和No.78-1905，其可容易地检索到六方PbTe相和立方体PbTe相，这表明CdTe-PbTe和Bi2Te3-PbTe之间的差别以及证实形成Bi2Te3中心部分。
分别在接近室温和500K的温度下，PbTe和Bi2Te3非常适合用于热电转换。通过使用以上鉴定的材料来制备这些基于纳米级异质结构的新型纳米线结构，导热率和塞贝克系数，尤其是前者可显著优化以提高热电品质因数。以上提及的溶液相合成可容易地扩展和重复以用于热电转换装置的大规模部署。
与常规纳米线结构相比较，由于联合界面散射效应和尺寸限制效应，材料的导热率可进一步降低。通过改变前体溶液，本公开的教导内容可延伸至其他纳米线异质结构合成，从而提供其他碲基热电材料。
为了证实与原始材料相比较合成的热电结构的改善的效率，测定PbTe的热电性能。参照图12，示出通过放电等离子烧结压缩的碲化铅纳米线原始样品的导电率对温度的绘图。如从图12中可观察到，在300K下样品的导电率为约7714S/m。随着温度的升高，导电率首先降低，直至温度升高至约460K，导电率达到4126S/m的最小值。然后导电率随着温度升高而增加。与原始样品相比较，合成的PbTe纳米线原始样品的导电率低得多，约为原始样品的导电率的四分之一。
与原始样品相比较，塞贝克系数大大地提高，其比原始样品的塞贝克系数高约2至4倍。参照图13，示出通过等离子烧结压缩的碲化铅纳米线原始样品的塞贝克系数的绘图。通过基于声子声学的方法也测定样品的导热率。参照图14，示出在室温下通过放电等离子烧结压缩的碲化铅纳米线原始样品的定标振幅对频率的绘图。图14示出在室温下PbTe纳米线原始样品的实验和拟合数据的曲线，其给出约1Wm-1K-1的总导热率值，该值为原始数据或现有技术中报道的其他数据的约1/2。计算一系列品质因数(ZT)值，并且绘制其对温度的图。参照图15，示出多个样品的热电品质因数(ZT)对温度的绘图。对于提供最佳ZT的样品，该ZT值达到2.03，这比现有技术中之前报道的ZT值高。
本领域技术人员意识到，可对以上所述具体实施方式进行多种修改。因此，以下权利要求书并不限于以上所示出和所描述的具体实施方案。如最初所呈现以及如可修改的权利要求书涵盖本文所公开的实施方案和教导内容的变型、替代、修改、改进、等同形式以及实质上的等同形式，包括当前未预见或未体会到的那些形式以及例如可来自申请人/专利权人和其他人的那些形式。

Claims (20)

1.一种超薄碲纳米线结构，包含：
碲的杆状结晶结构，其中所述结晶结构由5-6nm之间的直径限定。
2.根据权利要求1所述的超薄碲纳米线结构，其中通过包括下列步骤的方法来制备所述结晶结构：
(a)将一定量的聚乙烯吡咯烷酮、一定量的碱以及一定量的二氧化碲和碲化物盐之一混合以产生第一溶液；
(b)将所述第一溶液溶解在乙二醇中以产生第二混合物；
(c)加热所述第二混合物；以及
(d)将一定量的水合肼与所述第二混合物混合以产生第三混合物，所述第三混合物包含所述碲的杆状结晶结构。
3.根据权利要求2所述的超薄碲纳米线结构，其中聚乙烯吡咯烷酮的所述量为约0.1g至1.0g。
4.根据权利要求3所述的超薄碲纳米线结构，其中碱的所述量为约0.2g至0.8g。
5.根据权利要求4所述的超薄碲纳米线结构，其中所述碱是氢氧化钠和氢氧化钾之一。
6.根据权利要求5所述的超薄碲纳米线结构，其中所述碲盐是亚碲酸钠、亚碲酸钾和二氧化碲之一。
7.根据权利要求6所述的超薄碲纳米线结构，其中将所述第二混合物加热至约100-180℃。
8.根据权利要求7所述的超薄碲纳米线结构，其中水合肼的所述量为约0.2ml至1ml。
9.一种超薄碲基纳米线结构，包含：
碲化铅和碲化铋之一的杆状结晶结构，其中超薄碲纳米线结构用作前体以产生所述杆状结晶结构。
10.根据权利要求9所述的超薄碲基纳米线结构，其中所述碲化铅杆状结晶结构包括9-10nm之间的直径并且所述碲化铋杆状结晶结构包括7-8nm之间的直径。
11.根据权利要求10所述的超薄碲基纳米线结构，其中所述前体超薄纳米线包括5-6nm之间的直径。
12.根据权利要求9所述的超薄碲基纳米线结构，其中通过包括以下步骤的方法来制备所述结晶结构：
将醋酸铅三水合物和硝酸铋五水合物之一注入包含所述超薄碲纳米线结构的乙二醇前体溶液中。
13.一种纳米级异质结构碲基纳米线结构，包含：
具有中心杆状部分和一个八面体结构的哑铃状结晶异质结构，所述八面体结构连接至每个所述中心杆状部分的各端，其中所述中心杆状部分是碲纳米线结构并且所述八面体结构是碲化铅、碲化镉和碲化铋之一。
14.根据权利要求13所述的纳米级异质结构碲基纳米线结构，其中所述中心杆状部分由约20nm的直径限定。
15.根据权利要求14所述的纳米级异质结构碲基纳米线结构，其中所述碲化铅的边长为约65nm。
16.根据权利要求15所述的纳米级异质结构碲基纳米线结构，其中所述碲化镉八面体结构的直径为约30nm。
17.根据权利要求13所述的纳米级异质结构碲基纳米线结构，其中通过包括以下步骤的方法来制备所述哑铃状结晶结构：
(a)制备铅前体溶液；以及
(b)将所述铅前体溶液注入包含所述碲基纳米线结构的乙二醇前体溶液中。
18.根据权利要求17所述的纳米级异质结构碲基纳米线结构，其中通过将Pb(CH3COO)23H2O和Pb(NO3)23H2O之一溶解在乙二醇中来制备所述铅前体。
19.根据权利要求17所述的纳米级异质结构碲基纳米线结构，其中通过包括以下步骤的方法来制备包含所述碲基纳米线结构的所述乙二醇前体溶液：
(a)将一定量的聚乙烯吡咯烷酮、一定量的碱以及一定量的二氧化碲和碲化物盐之一混合以产生第一溶液；
(b)将所述第一溶液溶解在乙二醇中以产生第二混合物；
(c)加热所述第二混合物；以及
(d)将一定量的水合肼与所述第二混合物混合以产生所述乙二醇前体溶液。
20.根据权利要求19所述的纳米级异质结构碲基纳米线结构，其中Pb(CH3COO)23H2O和Pb(NO3)23H2O之一与二氧化碲之间的摩尔比小于1。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103540976A (zh) * 2013-10-18 2014-01-29 天津大学 一种碲基三元异质纳米线及其制备方法
CN110078031A (zh) * 2019-05-27 2019-08-02 中国科学技术大学 一种Te纳米线三维气凝胶、其制备方法及其应用
CN111454697A (zh) * 2020-03-30 2020-07-28 东华大学 一种纳米p-n异质结及其制备和应用
CN113838964A (zh) * 2021-09-15 2021-12-24 北京量子信息科学研究院 超导-半导体纳米线异质结及其制备方法和包含其的器件
WO2023082215A1 (zh) * 2021-11-13 2023-05-19 广东暨创硒源纳米研究院有限公司 硒碲哑铃型异质结构的放疗增敏剂及制备方法和应用

Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20130057436A (ko) * 2010-04-23 2013-05-31 퍼듀 리서치 파운데이션 초박 나노와이어 기반 및 나노규모 헤테로구조 기반 열전 변환 구조와 이를 제조하는 방법
CN102616755A (zh) * 2012-03-30 2012-08-01 哈尔滨工业大学 一种劈开的竹节状碲单质的制备方法
KR20130121546A (ko) * 2012-04-27 2013-11-06 삼성전자주식회사 열전성능이 증대된 열전소재 및 그 제조 방법
CN102826527B (zh) * 2012-08-21 2014-07-09 西北大学 一种稀土掺杂的Ca-PO4-CO3固溶超细纳米线的制备方法
CN102872886B (zh) * 2012-09-21 2014-08-13 中国科学技术大学 一种碲基贵金属合金纳米线催化剂的制备方法及其应用
US20140116491A1 (en) * 2012-10-29 2014-05-01 Alphabet Energy, Inc. Bulk-size nanostructured materials and methods for making the same by sintering nanowires
US8937294B2 (en) 2013-03-15 2015-01-20 Rohm And Haas Electronic Materials Llc Multi-heterojunction nanoparticles, methods of manufacture thereof and articles comprising the same
CN104555952B (zh) * 2013-10-22 2017-06-23 浙江理工大学 一种纳米级棒状碲化铋纳米材料的制备方法
CN104362248A (zh) * 2014-10-10 2015-02-18 浙江理工大学 溶剂热制备高塞贝克系数碲/氧化碲纳米复合材料的方法
CN105480956B (zh) * 2015-12-29 2017-09-26 清远先导材料有限公司 一种控制亚碲酸盐产品中二氧化碲及亚碲酸盐含量的方法
US10800657B2 (en) * 2017-06-19 2020-10-13 Purdue Research Foundation Substrate-free 2D tellurene
CN110379914B (zh) * 2019-07-22 2022-08-05 合肥工业大学 一种基于液相法合成Sb2Te3-Te纳米异质结材料的热电性能提升方法
CN113921706B (zh) * 2021-08-31 2022-07-19 苏州科技大学 一种基于二维碲烯纳米线的场效应忆阻器及其制作方法
CN116646539B (zh) * 2023-07-26 2023-10-10 河南工学院 一种负载单原子的碳纳米管催化剂及其制备方法与应用

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020170590A1 (en) * 2001-05-16 2002-11-21 Heremans Joseph Pierre Enhanced thermoelectric power in bismuth nanocomposites
CN101389792A (zh) * 2005-12-29 2009-03-18 巴斯夫欧洲公司 纳米热电材料

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6882767B2 (en) * 2001-12-27 2005-04-19 The Regents Of The University Of California Nanowire optoelectric switching device and method
ATE488625T1 (de) * 2002-08-13 2010-12-15 Massachusetts Inst Technology Halbleiter-nanokristallheterostrukturen
US7465871B2 (en) * 2004-10-29 2008-12-16 Massachusetts Institute Of Technology Nanocomposites with high thermoelectric figures of merit
US8039726B2 (en) * 2005-05-26 2011-10-18 General Electric Company Thermal transfer and power generation devices and methods of making the same
US7394094B2 (en) * 2005-12-29 2008-07-01 Massachusetts Institute Of Technology Semiconductor nanocrystal heterostructures
WO2009113997A1 (en) * 2007-12-04 2009-09-17 National Institute Of Aerospace Associates Fabrication of thermoelectric materials by hierarchical nanovoid generation
US8759662B1 (en) * 2009-04-02 2014-06-24 University Of South Florida Bulk dimensional nanocomposites for thermoelectric applications
KR20130057436A (ko) * 2010-04-23 2013-05-31 퍼듀 리서치 파운데이션 초박 나노와이어 기반 및 나노규모 헤테로구조 기반 열전 변환 구조와 이를 제조하는 방법

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020170590A1 (en) * 2001-05-16 2002-11-21 Heremans Joseph Pierre Enhanced thermoelectric power in bismuth nanocomposites
CN101389792A (zh) * 2005-12-29 2009-03-18 巴斯夫欧洲公司 纳米热电材料

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
GUO’AN TAI等: "Structural Characterization and Thermoelectric Transport Properties of Uniform Single-Crystalline Lead Telluride Nanowires", 《THE JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY C》, vol. 112, no. 30, 2 July 2008 (2008-07-02), XP055105493, DOI: doi:10.1021/jp8041318 *
HAI-SHENG QIAN等: "High-Quality Luminescent Tellurium Nanowires of Several Nanometers in Diameter and High Aspect Ratio Synthesized by a Poly(Vinyl Pyrrolidone)-Assisted Hydrothermal Process", 《LANGMUIR》, vol. 22, no. 8, 15 March 2006 (2006-03-15) *

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103540976A (zh) * 2013-10-18 2014-01-29 天津大学 一种碲基三元异质纳米线及其制备方法
CN103540976B (zh) * 2013-10-18 2016-01-06 天津大学 一种碲基三元异质纳米线及其制备方法
CN110078031A (zh) * 2019-05-27 2019-08-02 中国科学技术大学 一种Te纳米线三维气凝胶、其制备方法及其应用
CN110078031B (zh) * 2019-05-27 2023-03-10 中国科学技术大学 一种Te纳米线三维气凝胶、其制备方法及其应用
CN111454697A (zh) * 2020-03-30 2020-07-28 东华大学 一种纳米p-n异质结及其制备和应用
CN111454697B (zh) * 2020-03-30 2021-07-02 东华大学 一种纳米p-n异质结及其制备和应用
CN113838964A (zh) * 2021-09-15 2021-12-24 北京量子信息科学研究院 超导-半导体纳米线异质结及其制备方法和包含其的器件
CN113838964B (zh) * 2021-09-15 2023-11-24 北京量子信息科学研究院 超导-半导体纳米线异质结及其制备方法和包含其的器件
WO2023082215A1 (zh) * 2021-11-13 2023-05-19 广东暨创硒源纳米研究院有限公司 硒碲哑铃型异质结构的放疗增敏剂及制备方法和应用

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