[發明專利]準一維納米結構熱電材料、器件及其制備方法

有效

• 申請號: 201010264529.6
• 申請日: 2010-08-26
• 公開（公告）號: CN101969095A
• 公開（公告）日: 2011-02-09
• 發明（設計）人: 任山;李立強;葉志超;李義兵;洪瀾
• 申請（專利權）人: 中山大學
• 主分類號: H01L35/02
• 分類號: H01L35/02;H01L35/34
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 陳燕嫻

技術領域

本發明屬于熱電材料的領域，涉及一種熱電材料、器件及其制備方法，特別涉及一種熱電轉化效率高，能夠制成熱電傳輸不受材料厚度限制的熱電器件的準一維納米材料、器件及其制備方法。

背景技術

熱電材料及器件是一種能夠將熱和能以及電和熱直接轉化的材料和器件，一直以來提高熱電材料轉化效率是該領域的中心任務，也就是決定轉換效率的無量綱性能指數ZT值的提高(ZT＝a²σT/k，其中a為Seebeck系數，σ為電導率，k為熱導率，T為絕對溫度。其中熱導率包括電子熱導率和晶格熱導率兩部分)。ZT值越高，材料性能越好，能量轉換效率越高。但熱電材料中由于a，σ，k之間存在相關性，使ZT值較難提高，實際熱電材料的ZT值僅在1左右。

現有的理論和實驗研究已經證明納米結構是提高熱電材料轉換性能的有效手段。納米結構的熱電材料通過內部大量的界面對聲子的散射大于對電子的散射能夠實現熱導率(晶格熱導率)大幅度的降低而對電導率的影響不大或者有很小程度的降低，來實現ZT值的提高。目前多種納米結構的熱電材料如摻雜納米顆粒的熱電材料，如納米線，納米薄膜，納米多層膜等都使材料的優值因子得到優化。因此，利用聲子及電子的散射波長不同，用摻雜及低維化的手段來降低材料熱導率，使之獲得較高的ZT值，是現在熱電材料領域研究的重點。另外，從應用的角度考慮，低維熱電材料能夠實現局部定點冷卻(spot-cooling)，如能進一步和待冷卻器件一起通過半導體工藝集成，則能夠實現單個晶體管或者其他元件的制冷，提高制冷效率，減少制冷功耗，提高器件運行速度。因此，近年低維熱電材料的機理、材料制備以及器件方面的研究成為熱電材料發展的熱點，而且發展迅速。

M.S.Dresshauls等人在其綜述中提到了摻雜納米顆粒的納米復合材料，該材料能夠通過界面對聲子的散射來降低熱導率，通過量子限域效應來提高塞貝克系數，以此達到ZT值的提高。

公開號為CN1958820A的中國專利申請公開的一種摻雜的鈦鈷銻基熱電復合材料及其制備方法就是利用熔煉的方法制得納米復合熱電材料，通過摻雜高基體材料增加電傳輸性能，大幅降低材料的晶格熱導率，來提高材料的熱電性能。公開號為CN1796271A的中國專利申請公開的納米級銀和銻或銀和鉍摻雜的碲化鉛的制備方法中也敘述了一種以PbTe為基的熱電材料的制備，制備出的熱電材料粒度細、純度較高，熱電性能好。

Zhifeng?Ren等人則采用成本低，并能進行批量生產的先球磨，再等離子熱壓燒結的方法制備出了晶粒大小在5～50nm的多晶SiGe合金和Bi-Te系熱電材料。通過各晶粒之間的界面來增大對聲子的散射，實現熱導率的降低，熱電轉換效率的提高。在800～900攝氏度時SiGe合金ZT值提高了約50％。

公開號為CN1807606A的中國專利申請公開了一種納米SiC/Bi₂Te₃基熱電材料的制備方法，該方法利用機械合金化合成Bi₂Te₃化合物微細粉末，再利用放電等離子燒結工藝將摻雜納米SiC顆粒的前驅微細粉燒結成塊體，燒結的塊體具有高的機械性能，同時摻雜的納米顆粒能夠增大對聲子的散射，降低熱導率，提高材料的熱電性能。公開號為CN02156680.1的中國專利申請公開的鈷銻合金熱電材料的制備方法、公開號為CN1605417A】的中國專利申請公開的一種n-型Co-Sb系方鈷礦化合物熱電材料的制備方法中也利用了類似的方法制備了在400～500攝氏度附近應用于熱電領域的高熱電性能材料。

以上各種復合材料也即摻雜顆粒的納米熱電材料都能較好的提高材料的熱電性能，但都存在晶粒大小較難控制，在受熱時晶粒容易長大的問題，不能實現材料的可控生長。