[發(fā)明專利]一種熱電材料及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310393941.1
• 申請日: 2013-09-02
• 公開（公告）號: CN103436729A
• 公開（公告）日: 2013-12-11
• 發(fā)明（設計）人: 蔣俊;肖昱琨;吳萌蕾;楊勝輝;徐靜濤;李志祥;許高杰
• 申請（專利權）人: 中國科學院寧波材料技術與工程研究所
• 主分類號: C22C1/10
• 分類號: C22C1/10;C22C29/00;C22C1/05;C30B29/52;C30B28/08;C30B13/00
• 代理公司: 北京鴻元知識產(chǎn)權代理有限公司 11327
• 代理人: 單英

技術領域

本發(fā)明屬于熱電材料領域，具體涉及一種具有良好熱電性能的Sm-Te基熱電材料及其制備方法。

背景技術

熱電轉換技術是一類利用半導體內(nèi)部載流子運動的賽貝克效應（Seebeck）和帕爾貼效應（Peltier），實現(xiàn)熱能與電能直接相互轉換的技術。熱電轉換技術因其不含龐大的傳動機構，具有體積小、無噪音、可靠性高、制造工藝簡單、工作成本低廉、循環(huán)利用能量以及壽命長久等諸多優(yōu)點，從而作為一種具有廣泛應用前景（包括利用太陽熱、工廠釋熱、汽車尾氣釋熱及家庭余熱等）的新型綠色能源技術引起了世界眾多國家的持續(xù)關注。

熱電轉換效率的高低主要取決于無量綱熱電優(yōu)值ZT的大小，高的轉換效率需要大的ZT值。熱電優(yōu)值ZT=α²σT/κ，其中α為Seebeck系數(shù)，σ為電導率，κ為熱導率，T為絕對溫度，由此可見，高的Seebeck系數(shù)、高的電導率σ以及低的熱導率κ是提高ZT的關鍵。

傳統(tǒng)的室溫附近的碲化鉍基熱電材料，以及最近發(fā)現(xiàn)的In₄Se_2.35半導體化合物熱電材料（Nature,2009,459,965-968）均具有層狀晶體結構，在平行于層的方向上，晶體結構發(fā)生畸變，晶格有序性被破壞，導致聲子被嚴重散射，熱導率較低，因此在該方向上具有較大的熱電優(yōu)值。因此在制備過程中需要考慮到材料的晶粒取向性。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了一種新型熱電材料，該熱電材料包括Sm與Te元素，Sm元素與Te元素的原子比為1:1～1:4，并且該材料具有層狀結構。

作為優(yōu)選，所述的Sm元素與Te元素的原子比為1:3。

作為優(yōu)選，所述的熱電材料中還包括微量元素，構成Sm-Te基熱電材料，該微量元素的摩爾量占該Sm-Te基熱電材料總摩爾量的0.01%～20%，進一步優(yōu)選為0.05%～10%，該微量元素優(yōu)選是能夠替代碲化釤晶格的單質(zhì)，例如Bi、Se、Nd等，或者是能夠整體取代碲化釤晶格的化合物，例如Bi₂Te₃、Sb₂Te₃、NdTe₃、UTe₃等。

作為優(yōu)選，所述的熱電材料中還包括第二相顆粒，構成Sm-Te基熱電材料，該第二相顆粒的摩爾量占該Sm-Te基熱電材料總摩爾量的0.01%～20%，進一步優(yōu)選為0.5%～10%，該第二相顆粒優(yōu)選為電阻率較高的納米或非納米物質(zhì)，即不良導體物質(zhì)，例如BN、AZO等。

本發(fā)明還提供了一種制備上述熱電材料的方法，該制備方法具體包括如下步驟：

步驟1、按照熱電材料中各元素的摩爾比稱取各元素單質(zhì)或者化合物作為原材料，并將該原材料真空封裝于石英管中；

步驟2、將石英管置于搖擺爐腔體中，熔融原材料，接著搖擺石英管，使原材料混合均勻，然后關閉爐體加熱源，將石英管隨爐自然冷卻至室溫后取出，或者取出石英管于冰水中淬冷，得到Sm-Te化合物；

步驟3、將石英管固定于區(qū)熔爐中，使Sm-Te化合物從石英管底部開始區(qū)熔生長，得到Sm-Te基熱電材料。

所述的步驟2中，作為優(yōu)選，設定的原材料熔融溫度為450～1300℃。

所述的步驟2中，作為優(yōu)選，搖擺時間大于或等于1小時。

所述的步驟3中，作為優(yōu)選，設定的區(qū)熔溫度范圍450～1400℃，進一步優(yōu)選為1100℃～1300℃，最優(yōu)選為1150℃～1250℃；熔區(qū)寬度為10～40mm，溫度梯度為15～50℃/cm，生長速度為5～30mm/H。

所述的步驟1中，原材料中包括Sm元素與Te元素，作為一種優(yōu)選方式，還包括微量元素，該微量元素的摩爾量占該Sm-Te基熱電材料總摩爾量的0.01%～20%，該微量元素是易于晶格替代的單質(zhì)，例如Bi、Se、Nd等，或者是易于整體晶格取代的化合物，例如Bi₂Te₃、Sb₂Te₃、NdTe₃、UTe₃等。

所述的步驟1中，原材料中包括Sm元素與Te元素，作為另一種優(yōu)選方式，還包括第二相物質(zhì)，該第二相物質(zhì)的摩爾量占該Sm-Te基熱電材料總摩爾量的0.01%～20%，該第二相物質(zhì)優(yōu)選為電阻率較高的納米或非納米物質(zhì)，例如BN、AZO等。

為了進一步提高該熱電材料的熱電性能，在步驟3之后進行步驟4處理，得到Sm-Te基塊體熱電材料：