复合纳米颗粒组合物及集合制造技术

本文描述了复合纳米颗粒组合物和相关的纳米颗粒集合，其在一些实施例中表现出对一种或多种热电性质的增强，包括电导率和/或塞贝克系数的增加和/或热导率的降低。在一方面，复合纳米颗粒组合物包含半导体纳米颗粒，该半导体纳米颗粒包括正面和背面以及在正面和背面之间延伸的侧壁。金属纳米颗粒与至少一个侧壁结合，以建立金属‑半导体结。

Composite nanoparticle composition and collection

This paper describes composite nanoparticle compositions and related nanoparticle collections that in some embodiments exhibit an enhancement of one or more thermoelectric properties, including an increase in electrical conductivity and / or Seebeck coefficient and / or a decrease in thermal conductivity. In one aspect, the composite nanoparticles composition comprises semiconductor nanoparticles, which comprise a front and a back and a side wall extending between the front and the back. Metal nanoparticles are combined with at least one side wall to establish a metal \u2011 semiconductor junction.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】复合纳米颗粒组合物及集合政府权利声明本专利技术是在美国空军科学研究办公室授予的批准号FA9550-16-1-0328和由NASA/流线型(Streamline)授予批准号1123-SC-01-R0NASA#NNX16CJ30P的政府支持下完成的。政府拥有本专利技术的某些权利。相关申请数据本申请根据专利合作条约第8条和35U.S.C.§119(e)要求于2017年2月16日提交的美国临专利申请号62/459，978的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
本专利技术涉及复合纳米颗粒及相关集合，尤其涉及表现出增强热电性能的复合纳米颗粒及集合。
技术介绍
利用热电(TE)材料的固态能量转换，由于其将废热转化为电能的无与伦比的特性而引起了越来越多的关注。TE材料的效率由无量纲的品质因数ZT表示，该ZT由电导率(σ)、塞贝克系数(S)和热导率(κ)控制，该热导率(κ)主要包括晶格热导率κL和载流子热导率κc(κL>>κc)。理想的高效TE材料必须具有高σ和低κ。不幸的是，对于大多数TE系统而言，这三个参数是相互依赖的，因此最大化一个通常会抵消或减少其他两个。这最终阻止了TE材料作为无噪声发电机或可伸缩固态珀耳帖(Peltier)冷却器的广泛应用。
技术实现思路
本文描述了复合纳米颗粒组合物和相关的纳米颗粒集合，其在一些实施例中表现出对一种或多种热电性质的增强，包括电导率和/或塞贝克系数的增加和/或热导率的降低。在一个方面，复合纳米颗粒组合物包含半导体纳米颗粒，该半导体纳米颗粒包括正面和背面以及在正面和背面之间延伸的侧壁。金属纳米颗粒与至少一个侧壁结合，以建立金属-半导体结。在一些实施例中，金属纳米颗粒结合到多个半导体纳米颗粒侧壁，以建立若干金属-半导体结。在另一方面，本文描述了复合纳米颗粒集合。简而言之，复合纳米颗粒集合包括半导体纳米颗粒，该半导体纳米颗粒包括在正面和背面和在正面和背面之间延伸的侧壁，其中半导体纳米颗粒之间的间隔通过金属纳米颗粒结合到半导体纳米颗粒的侧壁来桥接。如本文进一步所述，桥接金属纳米颗粒与半导体纳米颗粒的侧壁建立金属-半导体结。在进一步的方面，提供了增强硫族化物热电性能的方法。在一些实施例中，增强硫族化物热电性能的方法包括提供硫族化物纳米颗粒，该硫族化物纳米颗粒包括正面和背面以及在正面和背面之间延伸的侧壁。硫族化物纳米颗粒的电导率和塞贝克系数中的至少一个通过在侧壁上的金属纳米颗粒的成核而升高，其中金属纳米颗粒桥接硫族化物纳米颗粒之间的间隔。此外，通过桥接相邻纳米颗粒之间的间隔的金属纳米颗粒，可以降低硫族化物纳米颗粒的导热率。在以下详细描述中更详细地描述了这些和其他实施例。附图说明图1A示出了根据一些实施例的片晶半导体纳米颗粒的俯视图。图1B示出了根据一些实施例与片晶半导体纳米颗粒的侧壁结合的金属纳米颗粒。图2A示出了根据一些实施例的Sb2Te3纳米颗粒和Ag金属的能带结构。图2B示出了根据一些实施例的Ag纳米颗粒-Sb2Te3纳米颗粒界面的能带结构。图3示出了根据一些实施例的复合纳米颗粒集合。图4示出了根据一些实施例的复合纳米颗粒的透射电子显微镜(TEM)图像。图5示出了根据一些实施例的自支撑(freestanding)复合纳米颗粒集合膜。图6示出了根据一些实施例的Sb2Te3纳米片和具有结合到侧壁的银纳米颗粒的Sb2Te3纳米片的X射线衍射测量。图7示出了根据一些实施例的复合纳米颗粒的高分辨率TEM图像。图8示出了用于研究每种元素的化学环境的Sb2Te3和Ag修饰的Sb2Te3的XPS。图9示出了根据一些实施例的Sb2Te3纳米片和Ag修饰的Sb2Te3纳米片的TGA和DSC分析。图10A示出了具有不同Ag浓度的Ag修饰的Bi2Te3粒料的温度依赖性电性质。图10B示出了具有不同Ag浓度的Ag修饰的Bi2Te3粒料的温度依赖性热传输性质。图11示出了具有不同Cu浓度的Cu修饰的Bi2Te3粒料的温度依赖性电和热传输性质。图12总结了Cu和Ag修饰的Bi2Te3的室温(RT)性能。图13提供了根据一些实施例在不同放大倍数下的经过Ag修饰后基于Bi2Te3纳米片的粒料扫描电子显微镜图像。图14示出了根据本文描述的一些实施例的半导体纳米颗粒的锥形或双锥形形态。具体实施方式通过参考以下详细描述和实施例及其之前和之后的描述，可以更容易地理解本文所述的实施例。然而，本文描述的元件、设备和方法不限于详细描述和实例中呈现的具体实施例。应该认识到，这些实施例仅仅是对本专利技术原理的说明。在不脱离本专利技术的精神和范围的情况下，对于本领域技术人员来说，许多修改和调整是显而易见的。在一个方面，复合纳米颗粒组合物包含半导体纳米颗粒，该半导体纳米颗粒包括正面和背面以及在正面和背面之间延伸的侧壁。金属纳米颗粒与至少一个侧壁结合以建立金属-半导体结。在一些实施例中，金属纳米颗粒结合到多个半导体纳米颗粒侧壁，以建立若干金属-半导体结。半导体纳米颗粒可包括任何半导体，该半导体与本文所述的热电原理和电子结构不相矛盾。合适的半导体纳米颗粒可包括各种硫族化物，例如金属硫化物，金属硒化物和/或金属碲化物。此外，半导体纳米颗粒可以是p型或n型。例如，半导体纳米颗粒可包括硫化钼(MoS2)、碲化锑(Sb2Te3)或碲化铋(Bi2Te3)。另外，复合组合物的半导体纳米颗粒可以呈现任何颗粒形态，这些形态展现用于金属纳米颗粒的结合和/或成核的侧壁。在一些实施例中，半导体纳米颗粒具有二维(2D)形态。例如，半导体纳米颗粒可以是片晶，其中金属纳米颗粒结合到片晶的一个或多个侧壁。在一些实施例中，半导体纳米颗粒表现出锥形或双锥形结构。图14中示出非限制性实例锥形或双锥形结构。结合到半导体纳米颗粒的一个或多个侧壁的金属纳米颗粒可包括与本文所述的热电原理和电子结构不相矛盾的任何金属。合适的金属包括各种过渡金属，例如选自周期表第IVA-VIIIA族和第IB族的金属。在一些实施例中，金属纳米颗粒由一种或多种贵金属形成。金属纳米颗粒可以在半导体纳米颗粒的侧壁表面上成核和自组装。在与半导体纳米颗粒侧壁结合时，可以在金属纳米颗粒和半导体之间建立界面过渡区。在一些实施例中，界面过渡区包含金属原子，该金属原子化学键合到半导体纳米颗粒的原子。在一个实例中，银纳米颗粒结合到Sb2Te3纳米颗粒的侧壁，其中界面过渡区包含Sb2Te3-Ag2Te-Ag。与半导体侧壁结合的金属纳米颗粒可具有与本专利技术的目的不相矛盾的任何尺寸。在一些实施例中，金属纳米颗粒尺寸由在复合物集合中的半导体纳米颗粒之间的间隔决定。如本文进一步描述的，金属纳米颗粒可以桥接相邻半导体纳米颗粒之间的间隔，结合到半导体纳米颗粒的侧壁。在这样的实施例中，可以形成复合纳米颗粒集合。图1A示出了根据本文描述的一些实施例的具有片晶形态的Bi2Te3纳米颗粒的俯视图。Bi2Te3纳米颗粒10包括正面11本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复合纳米颗粒组合物，包括：/n半导体纳米颗粒，其包括正面和背面以及在正面和背面之间延伸的侧壁；和/n与至少一个侧壁结合以建立金属-半导体结的金属纳米颗粒。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170216 US 62/459,9781.一种复合纳米颗粒组合物，包括：
半导体纳米颗粒，其包括正面和背面以及在正面和背面之间延伸的侧壁；和
与至少一个侧壁结合以建立金属-半导体结的金属纳米颗粒。


2.根据权利要求1所述的复合纳米颗粒，其特征是：所述金属纳米颗粒结合至多个侧壁，以建立若干金属-半导体结。


3.根据权利要求1所述的复合纳米颗粒，其特征是：在所述金属-半导体结处建立肖特基势垒。


4.根据权利要求3所述的复合纳米颗粒，其特征是：所述Shottky势垒具有至少100meV的高度。


5.根据权利要求1所述的复合纳米颗粒，其特征是：所述半导体纳米颗粒是硫族化物。


6.根据权利要求5所述的复合纳米颗粒，其特征是：所述金属纳米颗粒由一种或多种过渡金属形成。


7.根据权利要求6所述的复合纳米颗粒，其特征是：所述一种或多种过渡金属选自周期表的第IVA-VIIIA族和第IB族。


8.根据权利要求6所述的复合纳米颗粒，其特征是：所述一种或多种过渡金属是贵金属。


9.根据权利要求1所述的复合纳米颗粒，其特征是：所述半导体纳米颗粒是片晶。


10.根据权利要求1所述的复合纳米颗粒，还包括在所述半导体纳米颗粒和金属纳米颗粒之间的界面过渡区域。


11.根据权利要求10所述的复合纳米颗粒，其特征是：所述界面过渡区域包括金属原子，所述金属原子化学键合到所述半导体纳米颗粒的原子。


12.一种复合纳米颗粒集合，包括：
半导体纳米颗粒，其包括正面和背面以及在正面和背面之间延伸的侧壁，其中半导体纳米颗粒之间的间隔通过金属纳米颗粒桥接，所述金属纳米颗粒结合到半导体纳米颗粒的侧壁。


13.根据权利要求12所述的复合纳米颗粒集合，其特征是：桥接金属纳米颗粒与所述半导体纳米颗粒的侧壁建立金属-半导体结。


14.根据权利要求13所述的复合纳米颗粒集合，其特征是：在所述金属-半导体结处建立肖特基势垒。


15.根据权利要求14所述的复合纳米颗粒集合，其特征是：所述肖特基势垒具有至少100meV的高度。


16.根据权利要求12所述的复合纳米颗粒集合，其特征是：所...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·L·卡罗尔，敦超超，C·休伊特，R·萨默斯，
申请(专利权)人：维克森林大学，
类型：发明
国别省市：美国;US