[發明專利]具有超結構的Ga-Te基熱電半導體及制備方法

有效

• 申請號: 201110173081.1
• 申請日: 2011-06-24
• 公開（公告）號: CN102234843A
• 公開（公告）日: 2011-11-09
• 發明（設計）人: 崔教林
• 申請（專利權）人: 寧波工程學院
• 主分類號: C30B29/46
• 分類號: C30B29/46;C30B29/68;C30B1/00
• 代理公司: 寧波奧凱專利事務所(普通合伙) 33227
• 代理人: 白洪長

技術領域

本發明涉及熱電半導體材料，是一種具有超結構的Ga-Te基熱電半導體及制備方法。

背景技術

熱電半導體材料是一種通過載流子，包括電子或空穴的運動實現電能和熱能直接相互轉換的新型半導體功能材料。由熱電材料制作的發電和制冷裝置具有體積小、無污染、無噪音、無磨損、可靠性好、壽命長等優點。在民用領域中，潛在的應用范圍如：家用冰箱、冷柜、超導電子器件冷卻及余熱發電、廢熱利用供電以及邊遠地區小型供電裝置等。

熱電材料的綜合性能由無量綱熱電優值ZT描述，ZT=Tsa²/k，其中a是Seebeck系數、s是電導率、k是熱導率、T是絕對溫度。因此，熱電材料的性能與溫度有密切的關系。迄今為止，所發現的均質熱電材料，其最高熱電優值（ZT）只在某一個溫度值下才取得最大值。目前，已被小范圍應用的熱電發電材料主要是50年代開發的Pb-Te基和金屬硅化物系列合金，前者其最大熱電優值在1.5左右，但Pb對環境污染較大，對人體也有傷害。后者的熱電性能較低，其熱電優值一般在0.3左右，最大熱電優值ZT￡0.6。本征Ga₂Te₃中Ga與Te原子成A、B、C三維交疊排列，在垂直于層面方向上，A、B、C三層上的陽離子空缺位處于同一位置。本征Ga₂Te₃內部還具有超晶格結構，兩維自組裝周期性空穴面包圍著閃鋅礦型納米疇。這種周期性空穴面的面間距略大于聲子的平均自由程，可對聲子產生極大的散射。實驗證實，在900K以下，本征Ga₂Te₃的總熱導率不到0.6W.m^-1.K^-1。但缺點是這種半導體的電導率太低，以致影響了整體熱電性能。

材料制備方法對材料的結構與性能關系極大。由于本征Ga₂Te₃半導體呈層狀結構，因此目前比較常見的制備工藝是采用布爾其曼法或區熔法。采用這些方法制備獲得的單晶Ga₂Te₃在（111）晶面上的超結構周期性空穴面其面間隔為3.5nm，大約是10倍的原子間距。超結構也稱超點陣，是具有周期性原子排列的有序固溶體結構的通稱。當晶胞中原子被外來原子替換時，會在晶體中產生長程有序，有序的長度通常較原晶胞常數大。

在Ga₂Te₃兩元合金內摻雜是改善其電學性能的有效手段之一。但摻雜后Ga-Te基熱電半導體中能否保留原有的超晶格結構，以致保留較低的晶格熱導率優勢已成為研究的焦點。到目前為止，對于摻雜后Ga-Te基半導體的結構及熱電行為報道甚少，因此，本發明提供一種摻雜后具有超結構特征的Ga-Te基熱電半導體及制備工藝。

發明內容

本發明是選擇雙金屬元素Cu、Sb作為Ga₂Te₃熱電半導體內部的摻雜劑，獲得超結構，旨在向本領域提供一種具有超結構的Ga-Te基熱電半導體及制備方法。其目的是通過如下技術方案實現的。

一種具有超結構的Ga-Te基熱電半導體，該Ga-Te基熱電半導體是通過在Ga₂Te₃熱電半導體中摻雜雙金屬Cu、Sb兩元素，其要點在于該Ga-Te基熱電半導體是Ga₂Te₃熱電半導體中的部分Ga元素替換為Sb元素，部分Te元素替換為Cu元素。所述部分Sb元素在所述Ga₂Te₃熱電半導體中的摩爾分數為0.05～0.25，所述Te元素在所述Ga₂Te₃熱電半導體中的摩爾分數為0.02～0.15，所述Ga-Te基熱電半導體的化學式為Ga_2-xSb_xCu_yTe_3-y，其中0.05≤x≤0.25，0.02≤y≤0.15。