[發(fā)明專利]一種原位復(fù)合Mg－Si－Sn基熱電材料及其制備方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200810059853.7
• 申請日: 2008-02-22
• 公開（公告）號: CN101237019A
• 公開（公告）日: 2008-08-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 趙新兵;張倩;賀健;張勝楠;朱鐵軍;T·.M·崔特
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類號: H01L35/14
• 分類號: H01L35/14;H01L35/34;C22C1/04
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司
• 代理人: 韓介梅

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及半導(dǎo)體熱電材料及其制備方法，具體說，是關(guān)于一種原位復(fù)合Mg-Si-Sn基熱電材料及其制備方法。

背景技術(shù)

熱電材料是一種通過載流子(電子或空穴)的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)電能和熱能直接相互轉(zhuǎn)換的半導(dǎo)體材料。當(dāng)熱電材料兩端存在溫差時(shí)，熱電材料能將熱能轉(zhuǎn)化為電能輸出；或反之在熱電材料中通以電流時(shí)，熱電材料能將電能轉(zhuǎn)化為熱能，一端放熱而另一端吸熱。熱電材料在制冷或發(fā)電等方面有廣泛的應(yīng)用背景。用熱電材料制造的發(fā)電裝置可作為深層空間航天器、野外作業(yè)、海洋燈塔、游牧人群使用的電源，或用于工業(yè)余熱、廢熱發(fā)電。用熱電材料制造的制冷裝置體積小、不需要化學(xué)介質(zhì)，可應(yīng)用于小型冷藏箱、計(jì)算機(jī)芯片和激光探測器等的局部冷卻、醫(yī)用便攜式超低溫冰箱等方面，更廣泛的潛在應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ǎ杭矣帽洹⒗鋮s，車用或家用空調(diào)裝置等。用熱電材料制造的裝置具有無機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件、無噪聲、無磨損、結(jié)構(gòu)簡單、體積形狀可按需要設(shè)計(jì)等突出優(yōu)點(diǎn)。熱電材料的性能用“熱電優(yōu)值”Z表征：Z＝(α²σ/κ)。這里α是材料的熱電勢系數(shù)，σ是電導(dǎo)率，κ是熱導(dǎo)率。一種好的熱電材料應(yīng)具有接近晶體的電導(dǎo)率和類似玻璃的熱導(dǎo)率。

目前，有較多報(bào)道利用復(fù)合相來增加晶界散射以降低熱導(dǎo)，提高熱電性能。但是一般都是先分別合成兩相，然后將兩相人工混合，這樣很難控制兩相的分布情況，而且不可避免地會引入界面污染，影響材料的電學(xué)性能。而也有些原位生成的第二相盡管可以減少界面污染，但都是合成過程中出現(xiàn)的過量金屬相和氧化相，這些第二相的分布情況也是不確定的，更重要的是這些第二相都不是很好的熱電材料。

另外，Mg-Si-Sn基熱電材料原料地殼儲量豐富，價(jià)格低廉，無毒無污染，同時(shí)，根據(jù)熱電半導(dǎo)體性能化指標(biāo)β＝m^*3/2μ/κph(其中m^*為載流子有效質(zhì)量，μ為載流子遷移率，κ_ph為晶格熱導(dǎo)率)，其β值遠(yuǎn)高于其它一些熱電體系，因此，該體系得到人們的廣泛關(guān)注。由于在Mg₂Si_1-tSn_t相圖中存在不固溶區(qū)0.4＜t＜0.6，因此，所有的研究都集中在Mg-Si-Sn基單相材料上，即研究區(qū)間都在0≤t≤0.4和0.6≤t≤1，本發(fā)明研究不固溶區(qū)間內(nèi)的成分。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種能夠提高熱電性能的原位復(fù)合Mg-Si-Sn基熱電材料及其制備方法。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用的技術(shù)方案如下：

本發(fā)明的原位復(fù)合Mg-Si-Sn基熱電材料，其特征在于該材料的化學(xué)組成為Mg_2-yLa_ySi_0.5+xSn_0.5-x，x＝0～0.08，y＝0～0.1，結(jié)構(gòu)為材料中的富Si晶粒被原位生成的富Sn薄層包覆。

上述的富Sn薄層的Si∶Sn原子含量比為0.30～0.40∶0.60～0.70。

上述的富Si晶粒的Si∶Sn原子含量比為0.60～0.70∶0.40～0.30。

上述的富Sn薄層的厚度一般控制在500nm以下。

原位復(fù)合Mg-Si-Sn基熱電材料的制備方法，步驟如下：

將原料按化學(xué)劑量比Mg_2-yLa_ySi_0.5+xSn_0.5-x，x＝0～0.08，y＝0～0.1，計(jì)算稱量后，在Ar氣保護(hù)下，于1100～1200℃充分熔化，然后快速降溫至860～900℃，再按1℃/分鐘的降溫速度冷卻到780℃，在500～600℃下退火至少100h后，經(jīng)過機(jī)械球磨，在600～700℃，60～80MPa下真空熱壓1～2h。

在上述制備過程中，由于先后凝固的組分具有不同的成分，在先結(jié)晶的富Si晶粒表面就會原位生長出富Sn的薄層，薄層的厚度可以通過改變初始原料配比和冷卻速度得到控制。

本發(fā)明具有的有益效果是：

通過原位反應(yīng)得到的包覆結(jié)構(gòu)的復(fù)合熱電材料可以有效地降低材料的熱導(dǎo)率，提高材料的熱電性能；由于利用該種方法得到的兩相均為具有較好熱電性能的半導(dǎo)體材料，因此在通過界面效應(yīng)降低材料熱導(dǎo)的同時(shí)，還能夠保證復(fù)合材料的電學(xué)性能不至于降低，從而提高了整個(gè)材料的熱電性能；通過改變初始原料的配比可以控制表面包覆層的厚度，因此該種方法具有較好的可控性；同時(shí)，原位生長還可以減少界面污染。

附圖說明

圖1是原位復(fù)合Mg-Si-Sn基熱電材料的SEM照片。

具體實(shí)施方式