碲化铋（英文名：铋 碲化物），是一种窄禁带、间接带隙半导体化合物，是VA-VIA主族元素化合物，属于菱形晶系。其化学式为Bi2Te3，分子量为800.8，密度为7.8587g/cm³，熔点为575℃，常温下为灰色粉末状，具有较好的物理化学稳定性。
碲化铋具有多谷能带结构，这样的结构对声子和载流子具有比较强的散射作用，有利于获得较低的热导率。碲化铋可用多种物理化学方法来制备其纳米材料，如高温熔融法、高压合成法、放电等离子烧结法、溶剂热法、溶胶-凝胶法、电沉积法等。由碲化铋材料制成的热电转化器件，没有运动装置，因而具有无磨损、无噪声、体积小、无污染、免维修、超长寿命等突出优点。其不可燃，但在加热时可能会分解产生腐蚀性或有毒烟雾，容器在加热时可能会爆炸。
19世纪初，德国物理学家托马斯·约翰·塞贝克首次发现热电效应，即热量与电力可以相互转换。经过近一个世纪的理论发展，碲化铋在1940年代因其优异的低温热电性能受到关注，并通过掺杂元素（如锑或硒）进一步提升性能。进入21世纪，碲化铋已作为高效、环保的热电材料，广泛应用于节能与绿色能源技术，如碲化铋在红外探测、温差发电及热光伏电池等领域都有应用。
简史
早在19世纪初期，物理学家们就开始发现，热量和电力之间竟然可以相互转换。简单来说，当材料的一端被加热时，另一端会产生电流，因此热量会变成电力。这个发现就像是打破了热量和电流之间的“魔法屏障”，让科学家们看到了材料神奇的一面。到了1821年，德国杰出的物理学家托马斯·约翰·塞贝克（Thomas Johann Seebeck）进一步通过实验揭示了热电效应的真谛。又过了将近100年的时间，1910年，德国物理学家马克斯·冯·劳厄（Max von Laue）提出了关于热电效应的理论模型[1]，这是热电效应研究中的重要里程碑。冯·劳厄的模型为热电材料的理论研究奠定了基础，并揭示了材料中温差引起的电流与温差造成的电子迁移之间的关系。尽管这一理论为理解热电效应提供了重要框架，但它并未针对特定材料的性能做出深刻预测，因此在实际应用方面的指导意义较为有限。
为了弥补这一不足，研究的重点逐渐从理论模型转向了对具体材料性能的探索。在这一过程中，虽然劳德·凯文（Lord 开尔文）的工作在物理学理论层面深化了对热电效应的理解，但也并未将特定材料作为研究的核心。当时，热电效应的基础理论和热电材料的性能改善仍然处于发展的起步阶段，碲化铋虽然被视为一种具有潜力的热电材料，但尚未引起广泛的重视与研究[3,4]。因此，这一时期的科研工作，犹如在探寻传说中的“魔法石”，科学家确信其存在，却仍在摸索其确切所在。换言之，他们知道热电效应的应用潜力巨大，但尚未发现能高效利用这一效应的理想材料。
碲化铋这种材料在最初并没有引起太多关注。直到1940年代，研究人员才发现，碲化铋的性能远超预期，尤其是在低温下，它能够非常高效地将热能转化为电能，就像是隐藏在冰箱里的神奇电池。20世纪中期，科学家开始尝试为这位“天才”配上合适的“魔法武器”，即在碲化铋中加入其他元素，比如锑（Sb）或硒（Se），这些掺杂的元素大大提升了碲化铋的热电性能，使其转化效率更上一层楼。随着掺杂技术的不断发展，碲化铋逐渐成为热电领域的明星材料。
进入21世纪，碲化铋这个曾经“默默无闻”的材料，终于凭借其独特的晶体结构和优异的热电转换效率，进入大众视野。它不仅仅是实验室里的神奇材料，更成为节能、环保和可再生能源领域中的重要一员，被广泛应用于热电发电[5–7]和热电制冷[8,9]等多个领域，展现了巨大的应用潜力和价值。
理化性质
碲化铋，化学式为Bi2Te3，分子量为800.8，是VA-VIA主族元素化合物，常温下为灰色粉末状，其密度为7.8587g/cm³，熔点为575℃，具有较好的物理化学稳定性。从能带结构上看，碲化铋属于禁带宽度较窄的间接带隙半导体，室温下禁带宽度为0.145eV，电子和空穴迁移率分别为0.135×10-2m²/（V・s）和4.4×10-2m²/（V・s），温差电系数为1.6×10-3K-1。Bi2Te3晶体结构属于R3m空间群，呈现层状结构。Te原子处于两种环境，分别记为Te（1）和Te（2）。每5个原子层，即Te（1）-Bi-Te（2）-Bi-Te（1），构成一个重复周期，每5个原子层之间通过范德华力连接。Te（1）-Bi层之间的距离为0.174nm，二者通过共价键、离子键连接；Te（2）-Bi层之间的距离为0.204nm，之间的作用力为共价键；Bi2Te3的晶胞总共有16个原子层，共72个原子组成，其中晶格常数a=0.4384nm，c=3.048nm。
制备方法
由于碲化铋纳米材料在热电、光电材料领域的广泛应用，许多研究团队采取了多种物理化学方法来制备碲化铋纳米材料，如高温熔融法、高压合成法、放电等离子烧结法、溶剂热法、溶胶-凝胶法、电沉积法等。
块体材料制备
1、高温熔融法高温熔融法，是以单质直接化合得到碲化铋的方法。高温熔融法以高纯Bi块（99.999%）、Te块（99.999%）为原料，根据碲化铋的化学计量比将原料放入一端封闭的石英管中，然后将石英管抽真空至10-3Pa以下，再用氢氧焰将石英管的另一端烧至熔化后密闭。将密闭的石英管放入马弗炉中，升温至1073K后保温熔炼10h，并且需要每间隔1h左右把石英管左右晃动，来确保原料在熔炼过程中混合均匀，不会出现偏析而使制备得到的材料成分不均匀。最后将得到的液体混合物放入空气中进行冷却，得到初始铸锭块体，即为碲化铋晶体。
2、高压合成法高压合成法，具有反应速度快、可有效阻止相偏析等其他合成方法所不具备的特殊优点。其步骤是将高纯度（99.999%）的Bi粉、Te粉按照化学计量比Bi2Te3分别在充入氩（Ar）为保护气的手套箱中进行称量，并将所称取的原料放入玛瑙研钵中混合均匀，将均匀混合的原料放入钨钢磨具中，并用压片机将其冷压成型。将块体原料放入六面顶压机设备中进行高温高压合成（HPS），合成温度为600℃，合成压力为3GPa，保温保压时间为0.5h。最后降温卸压，获得合金锭。
3、放电等离子烧结法放电等离子烧结法（SPS），是一种新型的快速烧结成型技术，具有烧结速度快、烧结温度低、可很大程度上保留原料的纳米结构，从而获得具有较小晶粒尺寸的具有高致密度的块体材。工作原理是将装有待烧结样品的石墨模具置于烧结室的上下两电极间，向石墨模具两端施加压力，并通过电极施加直流脉冲电，使得待烧结样品内部产生大量的焦耳热，通过焦耳热效应使得样品完成快速烧结。
放电等离子烧结法的具体操作流程为：用压片机将混合好的高纯碲、铋原料进行冷压成块体材料，并用石墨纸包裹放入石墨模具中，然后用石墨纸将样品与石墨模具及石墨内堵头隔离开，原因是防止样品在烧结过程中被污染或是与石墨模具粘连。将放入样品的石墨模具置于烧结室中，插入热电偶，并将烧结室的真空度抽到10Pa以下，然后通过液压装置对上下腔体的压力对样品进行加压，再按照设定好的烧结温度、烧结时间等进行烧结，最后样品在低压下快速升温完成烧结过程，其装置示意如图：
图6-6放电等离子烧结装置示意图标注：电极、石墨垫片、石墨模具、热电偶插孔、待烧结粉末、石墨压头、烧结室、直流脉冲
纳米材料制备
1、溶剂热法溶剂热法，是纳米材料生长制备的常用手段，通过在一定温度和压力条件下，结合溶剂、表面活性剂等的作用，实现纳米材料的维度和尺度调控生长。
以溶剂热法制备碲化铋纳米材料，通常以氯化铋（BiCl3）、三氧化二铋（Bi2O3）、五水合硝酸铋（Bi（NO3）3・5H2O）及高纯铋单质为铋源，以二氧化碲（TeO2）、亚碲酸钠（Na2TeO3）及高纯碲单质为碲源，以乙二醇（C2H6O2）为溶剂，以氢氧化钠（NaOH）、氢氧化钾（KOH）等为pH值调节剂，以水合肼（N2H4・H2O）、硼氢化钠（NaBH4）、硼氢化钾（KBH4）等为还原剂，以F4的高压反应釜（见图6-7）为反应容器，从而制备得到碲化铋纳米材料。
具体步骤为：先将反应所需原料按照比例混合加入乙二醇等溶剂中，然后加入氢氧化钠等调节pH值，再加入硼氢化钠等还原剂，然后将混合溶液放入内衬为聚四氟乙烯的高压反应釜中在200℃左右条件下进行反应，再经过冷却、离心分离、纯水和乙醇多次洗涤、干燥等过程，得到碲化铋纳米材料。
2、溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法制备碲化铋纳米材料，是以Bi（NO3）3・5H2O和Te粉末作为前驱体材料，以C2H6O2（乙二醇）和C2H4O2（乙酸）作为双溶液，将Bi（NO3）3・5H2O溶解在乙二醇中，再将Te粉末溶解在乙酸中，同时对其进行预先加热和磁力搅拌，然后将2个溶液混合，再进行加热、干燥、冷却，得到Bi2Te3纳米粒子，此方法也称为低温双溶剂溶胶-凝胶法。
薄膜材料制备
1、电沉积法水溶液中电沉积法，水溶液中电沉积Bi2Te3基薄膜的步骤主要是把含Bi、Te元素的化合物按照其物质的量之比溶解在一定浓度的酸性溶液中，或先溶解于高浓度酸，再稀释成Bi2Te3电沉积溶液，然后采用恒电势、恒电流、脉冲等多种电沉积方式制备Bi2Te3基薄膜。常用的沉积基材有铜、不锈钢、镍、钛、金、铂、硅、氧化铟锡（ITO）导电玻璃等，其中金、铂常用于机理研究时的工作电极，而硅基材作为工作电极时，则需在其上沉积一层导电层。
2、真空蒸发法真空蒸发法，使用的膜料是纯度为99.999%的高纯铋粉和碲粉。由于铋和碲两种材料的饱和蒸气压不同，但为了得到化学计量比符合要求且厚度均匀的薄膜，需要使用电阻加热式蒸发源（钼舟）对两种膜料分别进行蒸发控制，随着蒸发的进行，两种粉体同时达到熔融蒸发的状态。之后继续调节电流，控制两种粉体的蒸发速度，使得两种粉体能够同时匀速蒸发完毕，从而制备出成分均匀的薄膜。
应用
碲化铋在红外探测、温差发电及热光伏电池等领域都有应用。在温差发电领域，碲化铋在300K时的热电优值可以达到1，相当于10%左右的热电转换效率，因此在微型机械、潜水艇发电、化工及制冷设备等领域有着广泛的应用。在红外探测器领域，通过改变Bi2Te3中掺杂的方式可以制备带隙可调节的红外探测器件。在热光伏领域，碲化铋制备的热光伏电池可以吸收室温中的物体发出的红外辐射然后转换为电能。另外，由碲化铋材料制成的热电转化器件，没有任何的运动装置，因而具有无磨损、无噪声、体积小、无污染、免维修、超长寿命等突出优点，因此，在热电转换、光电化学、拓扑绝缘性能研究、相变存储、航空航天、医疗、军事等诸多领域有着广泛的用途。
热电发电
现代社会中几乎所有的设备和机器都会产生“废热”。比如，开车时发动机发热、工业生产中的机器运转时会产生大量热量，甚至家里的冰箱和空调也会不断释放热气。这些热量如果不能得到有效利用，往往就会被浪费。碲化铋的出现，让我们看到了热能回收的希望。
碲化铋是一种非常擅长在温差存在的情况下，将热能转化为电能的材料。这一转换机制正是基于塞贝克效应，即当不同温度的两端连接导电材料时，温差会驱动电子流动，从而产生电压。
当车里发动机的温度很高，而车窗外的环境又相对凉爽，碲化铋就能通过这种温差，将废热转化为电流，为车上的电子设备提供能源。每一次汽车发热、每一次机器工作产生的热量，都可能通过碲化铋转化为我们可以使用的电能!这不仅能够有效减少能源浪费，还能在能源紧张的情况下提高系统的整体效率。在新能源汽车中，碲化铋就有潜力成为节能的重要组成部分，帮助车主更加高效地利用能源，提升行驶里程。
热电制冷
碲化铋具有优异的导电性和较低的热导率，能够高效实现热量转移，从而达到制冷效果。这一转换机制正是基于帕尔贴效应，其核心在于通过电流来驱动热量，使其从材料的一端转移到另一端。而这一特性使得碲化铋在小型化、精准化和环保要求高的场景中尤为适用。
传统的空调和冰箱通过压缩机来实现制冷，这种方式不仅能耗高，还会产生噪声和污染。而碲化铋制冷技术，则是一种更加安静、环保的解决方案。当使用便携式冰箱、小型冷却设备，或者在某些高精密设备中（比如电子元件或激光设备）需要精准控制温度时，碲化铋的热电制冷就能发挥作用。只要在设备两端加上电流，含碲化铋的一侧就会变冷，另一侧则会释放热量，就像一台“无噪声、无污染”的小型空调。未来，随着技术的进步，碲化铋制冷很可能会成为我们日常生活中的标配技术。
可穿戴设备
随着可穿戴技术的蓬勃发展，碲化铋作为一种创新材料，正逐渐融入各类新兴设备之中，如智能手表、健康监测器及运动手环等。碲化铋凭借其独特的热电转换能力，能在人体温度与外界环境的微小温差间催生电流，为设备供电。未来，这些设备或许将告别传统充电方式，转而利用人体自然散发的热量作为能源。
据最新研究显示，通过引入分层增强的设计理念，柔性碲化铋薄膜的热电效率可实现显著提升。这些薄膜在弯曲1000次后仍能保持卓越的性能表现，为柔性热电发电装置的应用开辟了新的道路。同时，碲化铋基块状热电晶体在室温下展现出的出色塑性，如同金属一般，使得材料加工更为简便，易于塑造为可穿戴设备所需的柔性结构。这一技术的革新，不仅让设备更加环保，还极大降低了对外部充电宝及电池的依赖，有效缓解了用户的“电量焦虑”。试想，未来的智能手表不仅能够精准记录健康数据，还能巧妙地从用户的体温中捕获能量，确保设备时刻处于满电状态，真正诠释了“绿色科技”的核心理念。
节能环保
在全球能源危机与气候变化加剧的背景下，节能与环保已成为各国政府及科技企业的首要关注点。碲化铋，这一绿色能源新星，正默默引领着能源利用的新变革。它能有效回收废热，提升能源转换效率，助力减少对化石燃料的依赖，并大幅降低碳排放量。
在工业领域，碲化铋的应用尤为亮眼。通过将工业设备产生的废热转化为可用能源，它不仅显著提高了工厂的能源使用效率，还有效减少了热量的损失，从而降低了温室气体排放，为环境保护做出了积极贡献。这一创新技术不仅体现了资源循环利用的智慧，也展现了科技在应对气候变化中的关键作用。
安全事宜
危害
安全术语
发展趋势
随着全球对可再生能源需求的不断增长，碲化铋的潜力与价值将更加凸显。它有望成为破解能源难题、推动能源转型的重要力量，为构建清洁、低碳、可持续的能源体系提供有力支撑。因此，加大对碲化铋等绿色能源材料的研发与应用，对于应对全球能源挑战、实现绿色发展具有重要意义。
随着科技的不断进步，碲化铋的应用还在不断拓展。从废热回收到智能穿戴，从热电制冷到绿色能源，它正在用自己的力量推动着节能环保技术的发展，为我们的生活带来更多的便利与环保，帮助我们更高效地利用每一份热量，减少对传统能源的依赖，为绿色能源注入新的活力，为智能科技提供全新的动力来源，推动社会向更加绿色、环保、高效的生活方式迈进。
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