[發明專利]一種提高硫化鉍多晶熱電性能的方法

有效

• 申請號: 201210020143.X
• 申請日: 2012-01-29
• 公開（公告）號: CN102443848A
• 公開（公告）日: 2012-05-09
• 發明（設計）人: 張波萍;葛振華;張麗娟;韓成功
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: C30B28/02
• 分類號: C30B28/02;C30B29/46
• 代理公司: 北京金智普華知識產權代理有限公司 11401
• 代理人: 皋吉甫

技術領域?

本發明屬于能源材料技術領域，特別涉及一種提高硫化鉍多晶熱電性能的方法，涉及到機械合金化，水熱合成和放電等離子燒結技術。

背景技術

隨著社會經濟的不斷發展，環境和能源問題越來越被人類所重視。熱電材料能夠直接實現熱能和電能的相互轉化，熱電器件無污染、零排放并且結構輕便、體積小、壽命長，日益受到人們的關注。以熱電器件為核心元件的熱電模塊在半導體制冷、溫差電池等方面有著廣泛的應用前景。在與常規的制冷方式和傳統電源的競爭中，熱電器件實現廣泛應用的關鍵是熱電制冷和熱電發電效率的提高。熱電性能以無量綱熱電優值ZT來表征，ZT=TS²σ/κ，S是賽貝克系數，σ是電導率，κ是熱導率，T是絕對溫度；S²σ稱為功率因子，用來表征熱電材料的電傳輸性能。

眾所周知，單晶體與多晶體相比較，在電導率高的同時熱導高、機械性能差。對多晶體而言，晶粒尺寸越大，電導率和熱導率就越大，晶粒尺寸越小，電導率和熱導率也越小。因此對于優良的多晶熱電材料，要求高的電導率和低的熱導率，在晶粒尺寸的優化上存在矛盾，無法通過調整晶粒尺寸來解決既想獲得高電導率又想取得低熱導率的矛盾。

硫化鉍是一種重要的半導體材料，禁帶寬度1.4?eV,?其在a,b軸方向上以弱的范德華力結合，在c軸方向上以強的離子鍵或共價鍵結合。這種結構上的強各向異性，使得載流子的有效質量也存在明顯的各向異性，a方向的載流子有效質量與c方向的載流子有效質量之比為3.0±0.5?(Cantarero,?A.;?Martinez-Pastor,?J.;?Segura,?A.?Transport?Properties?of?Bismuth?Sulfide?Single?Crystals,?Phys.?Rev.?B,?1987,?35,?9586.)。因此，以溶液法合成硫化鉍時，容易獲得沿c軸取向的單晶體，且沿c軸方向載流子的遷移率要遠高于沿a,b軸的遷移率（Shaban,?H.T.;?Nassary,?M.M.;?El-Sadek,?M.S.?Transport?Properties?of?Bi₂S₃?Single?Crystals,?Physica?B2008,?403,?1655-1659.）。

放電等離子燒結技術，是一種能夠實現粉末低溫快速燒結制備塊體材料的新技術，能夠抑制晶粒在燒結過程中長大和變形。

發明內容

本發明提供的一種提高硫化鉍熱電性能的方法，基于電子選擇傳輸路徑，聲子不選擇傳輸路徑的基本原理，采用放電等離子燒結法，將取向的單晶硫化鉍納米棒固化在多晶硫化鉍塊體中，形成快速載流子遷移通道，使得多晶塊體具有與單晶體相比擬的高遷移率和高電導率，同時又具有較低的熱導率，突出地解決了單晶體和多晶體電性能和熱性能難以同時優化的難題。

一種提高硫化鉍多晶熱電性能的方法，其特征是：

1、以機械合金化法制備的硫化鉍納米粉與水熱法合成的（001）取向的單晶硫化鉍納米棒以質量比（1:0.01~1）混合，在無水乙醇中超聲分散10~200?分鐘，烘干后在瑪瑙研缽中手工研磨10~100分鐘。將研磨好的粉體置于石墨模具中，采用放電等離子燒結技術在300~500℃燒結，保溫0~30分鐘制備出硫化鉍多晶塊體。

2、上述的機械合金化法制備的硫化鉍納米粉體其特征是：顆粒尺寸在5~500?nm的無規則形貌納米粉體。

3、上述水熱法合成的單晶硫化鉍納米棒的特征是：具有（001）取向，納米棒的尺寸為直徑50~200?nm、長度0.2~5?μm。

本發明利用放電等離子燒結技術，將具有優良導電通道的單晶硫化鉍納米棒引入到多晶硫化鉍塊體中，在保持單晶的形貌和導電特性的同時，大幅提高多晶硫化鉍的電傳輸性能。

附圖說明：

圖1為一種提高硫化鉍多晶熱電性能的原理示意圖。

圖?2為硫化鉍納米棒被固化在多晶中的實物掃描電鏡圖。

具體實施方式

以機械合金化法制備的硫化鉍納米粉(MA粉)與水熱法合成的（001）取向的單晶硫化鉍納米棒(NR粉)以質量比混合，在無水乙醇中超聲分散分鐘，在30~150℃烘干30~300分鐘后在瑪瑙研缽中手工研磨。將研磨好的粉體置于石墨模具中，采用放電等離子燒結工藝制備出硫化鉍多晶塊體。