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研究生: 周佳穎
Chou, Chia-Ying
論文名稱: 新穎金屬硫鹵族化合物之合成與鑑定
Syntheses and Characterizations of New Metal Chalcohalides
指導教授: 許桂芳
Hsu, Kuei-Fang
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 理學院 - 化學系
Department of Chemistry
論文出版年: 2015
畢業學年度: 103
語文別: 中文
論文頁數: 71
中文關鍵詞: 金屬硫鹵族化合物熱電材料垂直長晶法
外文關鍵詞: metal chalcoiodides, thermoelectric materials, Bridgman method
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  • 本論文以高溫長晶法,在Bi-M-I-Se (M = Cu, Ag) 系統中,成功合成出四個等結構的新穎金屬硫鹵族化合物。以目標分子式Bi5Cu4-xAgxISe9 表示,四個等結構的化合物分別為Bi5Cu3.99(8)ISe9(1) (x = 0)、Bi5Cu3.74(6)Ag0.26(2)ISe9 (2) (x = 0.25)、Bi5Cu3.58(7)Ag0.37(2)ISe9 (3) (x = 0.5) 以及Bi5Cu3.30(7)Ag0.74(2)ISe9 (4) (x=0.75)。其晶系 (crystal system) 皆為Monoclinic C2/m,晶格常數 (cell constant) 分別為a = 35.820(5) Å,b = 4.1715(6) Å,c = 13.7374(18) Å,β = 109.462(2)°;a = 35.753(11) Å,b = 4.1619(13) Å,c = 13.738(4) Å,β = 109.391(4)°;a = 35.815(5) Å,b = 4.1632(5) Å,c = 13.7630(17) Å, β = 109.431(2)°;以及a = 35.811(4) Å,b = 4.1608(5) Å,c = 13.7618(15) Å, β = 109.380(2)°。而當Ag取代量x ≧ 1時,則發現其結構已轉變成其他的相,因此元素置換達到極限。
    此系統化合物的三維結構可區分成兩個層狀區塊,其中組成包含了BiSe6八面體 (octahedra)、BiSe5四角錐體 (square pyramids)、CuI2Se2四面體 (tetrahedra) 、CuISe3四面體以及CuSe4四面體。結構中亦發現有Cu+錯排 (disorder) 的現象,因此預計其能展現出不錯的離子導體特性。化合物1測得的能係 (band gap) 值約為0.47 eV,是屬於一個窄能係的半導體材料。此外,此系統化合物具有很好的熱穩定性 (thermal stability),後續可利用垂直長晶法 (Bridgman method) 生成晶柱 (ingot)。未來將測量電導率 (σ, electrical conductivity)、熱電勢 (S, thermopower) 及熱傳導係數 (κ, thermal conductivity),預計朝熱電性質的方向做討論。

    The new metal chalcoiodides system were synthesized with general formulas Bi5Cu4-xAgxISe9 by solid-state reactions at 400 °C. The introduction of Ag in the lattice of Bi5Cu4ISe9 is possible but only to a limited extent. Compounds 1, 2, 3, and 4 were found from the reactions targeted for x = 0, 0.25, 0.5, and 0.75, respectively. All of them are isostructural and crystallize in the same space group C2/m. A structurally modified phase was found from the reactions targeted for x ≧ 1. These series of compounds adopt a three-dimensional structure formed by two alternative layers, which consist of BiSe5 square pyramids, BiSe6 octahedra, CuI2Se2 tetrahedra, CuISe3 tetrahedra, and CuSe4 tetrahedra. In addtion, disorder of Cu+ cations was found in the structure, which may exhibit the property of ionic conductivity. The polycrystalline ingots were grown by Bridgman method. The measurement of thermoelectric properties, such as thermopower, electrical conductivity and thermal conductivity are undertaken.

    目錄 摘要 I Abstract III 誌謝 VII 目錄 VIII 表目錄 X 圖目錄 XII 第一章 緒論 1 第二章 金屬硫鹵族化合物Bi-M-I-Se (M= Cu, Ag)系統之合成與鑑定 7 2.1 單晶合成 7 2.2 單晶X光繞射分析 11 2.3 能量散佈光譜分析 16 2.4 粉末X光繞射分析 18 2.5 差示熱分析 19 2.6 傅氏轉換紅外光譜儀 20 2.7 熱電性質測量 20 第三章 結果與討論 21 3.1 結構描述 21 3.2 晶相與純度分析 35 3.3 化合物熔點測量 38 3.4 能隙分析 40 3.5 垂直長晶法 (Bridgman method) 40 第四章 結論 44 參考文獻 45 附錄 48   表目錄 表2-1 化合物1至4之部分單晶數據 15 表2-2 化合物1至4之EDS/SEM分析數據 16 表3-1 化合物2至4之部分原子位置、熱擾動參數及佔有率 33 表A-1 化合物 1之完整單晶數據 48 表A-2 化合物1之原子位置、熱擾動參數 (Å2) 及佔有率 49 表A-3 化合物1之熱擾動參數值(× 103) (Å2) 50 表A-4 化合物1之完整鍵長 (Å) 51 表A-5 化合物2之完整單晶數據 53 表A-6 化合物2之原子位置、熱擾動參數 (Å2) 及佔有率 54 表A-7 化合物2之熱擾動參數值(× 103) (Å2) 55 表A-8 化合物2之完整鍵長 (Å) 56 表A-9 化合物3之完整單晶數據 58 表A-10 化合物3之原子位置、熱擾動參數 (Å2) 及佔有率 59 表A-11 化合物3之熱擾動參數值(× 103) (Å2) 60 表A-12 化合物3之完整鍵長 (Å) 61 表A-13 化合物4之完整單晶數據 63 表A-14 化合物4之原子位置、熱擾動參數 (Å2) 及佔有率 64 表A-15 化合物4之熱擾動參數值(× 103) (Å2) 65 表A-16 化合物4之完整鍵長 (Å) 66 圖目錄 圖1-1 CsBi4-xSbxTe與CsBi4Te6-ySey在不同溫度下量測 (a)熱傳導係數(κ);(b)晶格熱傳導係數 (κl) 2 圖1-2 (PbTe)1−2x(PbSe)x(PbS)x在不同溫度下量測 (a)熱傳導係數 (κ); (b)晶格熱傳導係數 (κl) 3 圖1-3 (a) (CuI)3Cu2TeS3之晶體結構圖;(b) (CuI)2Cu3SbS3之晶體結構圖 4 圖1-4 (a) CdBiSe2Br之晶體結構圖;(b) CdBiSe2I之晶體結構圖 5 圖2-1 顯微鏡下觀察到的晶體 8 圖2-2 化合物1之晶體照片 11 圖2-3 單晶2之EDS/SEM分析結果圖 17 圖3-1 化合物1延b軸投影之晶體結構圖 21 圖3-2 化合物1中之層狀區塊1 22 圖3-3 化合物1中層狀區塊1之ORTEP圖. 23 圖3-4 化合物1中 (a) Cu(6)的配位環境;(b) Cu(8)的配位環境 24 圖3-5 化合物1中層狀區塊2之ORTEP 圖. 25 圖3-6 五面體彼此串聯所形成的無限雙鏈結構 25 圖3-7 (a) Cu(4)因對稱操作而產生Cu(4)…Cu(4);(b)化合物1中Cu(4)的配位環境 26 圖3-8 (a) Cu(1)-Cu(3)的配位環境;(b) Cu(1)的配位呈現三短一長的現象 (c) Cu(2) tetrahedral 配位;(d) Cu(3) tetrahedral 配位 27 圖3-9 (a) 文獻中探討Cu的配位模式;(b) 化合物中Cu呈現tetrahedral及tirgonal兩種配位模式 28 圖3-10 化合物1與文獻中的Cu2.31Bi5Se8.31I0.69皆有Cu disorder團簇與不合理的Cu…Cu鍵長 29 圖3-11 Cu7Bi6S10Cl5之晶體結構 30 圖3-12 化合物2延b軸投影之晶體結構圖 31 圖3-13 化合物1至4之部分鍵長(Å)比較 32 圖3-14 化合物1之PXRD pattern 35 圖3-15 化合物1經TOPAS軟體精算後之結果圖 36 圖3-16 化合物2之PXRD pattern 37 圖3-17 化合物3之PXRD pattern 37 圖3-18 化合物4之PXRD pattern 38 圖3-19 化合物1之DTA測量結果圖 39 圖3-20 化合物2之DTA測量結果圖 39 圖3-21 化合物1之能係測量結果圖 40 圖3-22 (a)垂直長晶爐;(b)晶柱照片 42 圖3-23 (a) 3 × 3 × 10 mm之長條塊材;(b)直徑10 mm、厚2 mm之圓形塊材 42 圖A-1 化合物2經TOPAS軟體精算後之結果圖 68 圖A-2 化合物3經TOPAS軟體精算後之結果圖 69 圖A-3 化合物4經TOPAS軟體精算後之結果圖 70

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