[發(fā)明專利]p型方鈷礦材料及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201010259433.0
• 申請日: 2010-08-20
• 公開（公告）號: CN102373348A
• 公開（公告）日: 2012-03-14
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陳立東;劉睿恒;仇鵬飛;張文清;黃向陽;楊炯;何琳;莫尼卡·拜克浩斯
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所;康寧股份有限公司
• 主分類號: C22C12/00
• 分類號: C22C12/00;H01L35/18;H01L35/34
• 代理公司: 上海專利商標(biāo)事務(wù)所有限公司 31100
• 代理人: 項丹

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于p型方鈷礦材料領(lǐng)域，提供了一種高熱電性能的p型方鈷礦材料及其制備方法。

背景技術(shù)

熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)是一種利用材料的塞貝克(Seebeck)效應(yīng)將熱能直接轉(zhuǎn)換成電能，或利用材料的帕爾帖(Peltier)效應(yīng)進(jìn)行制冷的技術(shù)，該技術(shù)具有無運動部件、可靠性高、壽命長和環(huán)境友好等特點，可廣泛應(yīng)用于廢熱發(fā)電、航空航天的電源、醫(yī)療衛(wèi)生制冷、家用制冷電器等領(lǐng)域。熱電轉(zhuǎn)換效率主要取決于材料的無量綱熱電性能因子ZT(ZT＝S²σT/κ，式中S為Seebeck系數(shù)，σ為電導(dǎo)率，κ為熱導(dǎo)率，T為絕對溫度)。材料的ZT值越高，熱電轉(zhuǎn)換效率越高。

在熱電材料的應(yīng)用中，必須將p型和n型的熱電材料組裝成π形熱電器件對使用，π形對的熱電轉(zhuǎn)換效率與溫差和在整個冷熱端溫度范圍內(nèi)的n、p型材料的平均Z值緊密相關(guān)。最大熱電轉(zhuǎn)換效率如下式所示：

ηmax=Th-TlTh(1+ZT‾)1/2-1(1+ZT‾)1/2+Tl/Th]]>

式中，是平均溫度，表示p型和n型半導(dǎo)體在T_l-T_h整個冷熱端溫度范圍內(nèi)的平均ZT值。如果n型和p型材料只是其中之一的ZT值較高，而另一者的ZT值很低的話，整個熱電器件的轉(zhuǎn)換效率依然不能有效提高。因此，同時獲得性能優(yōu)異的p型和n型熱電材料一直是熱電工作者不懈追求的目標(biāo)。

填充方鈷礦因具有優(yōu)異的電傳輸性能和較低的熱導(dǎo)率而被認(rèn)為是應(yīng)用于中高溫區(qū)(500-800K)的理想熱電轉(zhuǎn)換材料。通過填充于二十面體籠狀結(jié)構(gòu)中的小半徑原子與周圍磷族原子形成弱鍵作用而產(chǎn)生擾動效應(yīng)能夠有效地降低材料熱導(dǎo)，使得該體系的n型材料ZT值能夠達(dá)到1以上。但是在p型方鈷礦熱電材料中，由于摻雜原子的存在，填充量很大程度上受摻雜原子含量的影響，導(dǎo)致與n型材料相比，不僅制備困難，而且性能也有很大差距。

在p型方鈷礦材料的空洞中，不同的填充原子由于質(zhì)量差異、半徑差異、化合價差異等，它們對聲子的共振頻率也各不相同，而填充原子只對對應(yīng)于其共振頻率的聲子的散射效果最為有效，因此為了能散射各種譜段的聲子，最大化地降低材料的晶格熱導(dǎo)率，可以通過填充兩種或者兩種以上的原子，通過不同填充原子的共振頻率的不同來散射不同頻率的聲子，達(dá)到最大限度地抑制晶格熱導(dǎo)的目的。