硫化鉍是一種重要的半導體材料,化學式為Bi?S?,屬于V-VI族化合物半導體。其晶體結構呈現正交晶系,具有獨特的層狀排列特征,這種結構賦予它顯著的光電性能。在自然界中,硫化鉍常以輝鉍礦形式存在,呈現出金屬光澤的灰黑色外觀,莫氏硬度約為2.5(接近指甲硬度),密度達到6.78g/cm3。
這種材料最受關注的是其優異的熱電性能,特別是具有較高的塞貝克系數(約-1000μV/K)和較低的熱導率(約1.2W/m·K),這使得它在溫差發電領域具有重要應用價值。需要重點關注的是其帶隙寬度約為1.3eV(電子伏特),這個特性使其成為理想的中紅外光電探測器材料。隨著納米技術的發展,硫化鉍納米線、納米棒等低維結構展現出更優異的性能,特別是在太陽能電池和光催化劑領域。
在實際應用中,硫化鉍常通過化學氣相沉積(CVD)或水熱法制備。值得注意的是,其制備過程中需要精確控制硫鉍比(通常為3:2),溫度范圍維持在120-200℃之間,這對最終產品的結晶質量和性能有決定性影響。近年來,研究人員通過摻雜稀土元素如鑭(La)或鈰(Ce)等方式,顯著提升了其載流子遷移率(可達15cm2/V·s)。
在工業領域,硫化鉍主要應用于三大方向:作為高溫潤滑劑的添加劑,在核輻射屏蔽材料中作為中子吸收劑,以及在鋰離子電池中作為負極材料。特別是在熱電轉換器件方面,通過優化其晶體取向(通常優先沿[001]方向生長),可將熱電優值ZT提升至0.8以上,這使其成為最具商業化前景的中溫區熱電材料之一。