[發(fā)明專利]一種高性能GeSbTe基熱電材料的制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610191041.2
• 申請(qǐng)日: 2016-03-30
• 公開（公告）號(hào): CN107293637B
• 公開（公告）日: 2020-04-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 唐新峰;齊尼瑪納·艾瑞思;鄧日桂;蘇賢禮;鄢永高
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 武漢理工大學(xué)
• 主分類號(hào): H01L35/34
• 分類號(hào): H01L35/34;H01L35/16
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 唐萬榮

本發(fā)明公開了一種高性能GeSbTe基熱電材料的制備方法，包括以下步驟：1)以Ge、Sb和Te單質(zhì)為原料，按化學(xué)計(jì)量比稱量各原料，進(jìn)行熔融處理，隨爐冷卻至室溫得錠體產(chǎn)物；2)將所得錠體產(chǎn)物進(jìn)行感應(yīng)熔煉、熔融旋甩，制得薄帶產(chǎn)物；3)將步驟2)所得薄帶產(chǎn)物進(jìn)行研磨，然后進(jìn)行放電等離子燒結(jié)，即得所述GeSbTe基熱電材料。本發(fā)明通過對(duì)GeTe進(jìn)行Sb摻雜，有效降低并GeTe基熱電材料的載流子濃度，并將熔融燒結(jié)方法與熔融旋甩技術(shù)相結(jié)合，在保證GeSbTe基體系結(jié)構(gòu)和成分信息的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步通過熔體旋甩工藝進(jìn)行微結(jié)構(gòu)調(diào)控，從而制備結(jié)構(gòu)精細(xì)、成分穩(wěn)定、熱電性能優(yōu)異的GeSbTe基熱電材料。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于熱電材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高性能GeSbTe基熱電材料的制備方法。

背景技術(shù)

自200年前熱電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)以來，科研人員開展了大量研究旨在提升現(xiàn)有熱電材料體系的熱電優(yōu)值或者拓展新的熱電材料體系，并且取得了卓有成效的進(jìn)展。化石燃料不僅儲(chǔ)量有限，而且對(duì)環(huán)境有著不可逆轉(zhuǎn)的破壞，因而熱電材料的研究積極響應(yīng)了當(dāng)前全球提倡的發(fā)展化石燃料替代能源的呼吁。

GeTe具有較高的ZT值，屬于一種重要的中高溫?zé)犭姴牧稀＝陙鞧eTe基熱電材料的研究主要是集中在GeTe與AgSbTe₂的固溶體(TAGS)中，這種固溶體表現(xiàn)出良好的熱電性能。近來，有報(bào)道指出，純GeTe通過適當(dāng)?shù)膿诫s有望成為一種很有潛力的熱電材料。GeTe是一種窄帶隙化合物，在670K時(shí)將由室溫的菱方晶系轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎骄?NaCl型)。GeTe的結(jié)構(gòu)調(diào)控可以通過化學(xué)計(jì)量比偏離來完成，Te含量的改變可以產(chǎn)生大量的Ge空位，因而GeTe具有高的空穴載流子濃度(～10²⁰-10²¹Cm^-3)，為p型傳導(dǎo)。通過合金摻雜方法制得Ge_0.87Pb_0.13Te+3mol％Bi₂Te₃化合物，能夠有效抑制高的載流子濃度，從而提高Seebeck系數(shù)，并且同時(shí)降低熱導(dǎo)率，因此，ZT值在500℃時(shí)取到了1.9。

雖然目前的研究在ZT值上取得了一定的突破，但是仍然存在著許多的不足之處。首先，從成分上來看，含Pb樣品具有毒性，對(duì)人體與環(huán)境均有著不同程度的損害；其次，僅由熔融結(jié)合燒結(jié)方法制備的樣品微結(jié)構(gòu)雜亂、成分不均、密度不佳、強(qiáng)度不夠，不僅影響了測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，也影響了后期使用過程的穩(wěn)定性，因而這限制了GeTe基熱電材料進(jìn)一步研究與應(yīng)用，尤其是在微器件領(lǐng)域的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種GeSbTe基熱電材料的制備方法，涉及的制備工藝簡單、快速，并可精確控制產(chǎn)物組分，綠色環(huán)保，適宜規(guī)模化生產(chǎn)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種高性能GeSbTe基熱電材料的制備方法，包括以下步驟：

1)以Ge、Sb和Te單質(zhì)為原料，按Ge_0.99-xSb_xTe，其中0.01≤x≤0.10的化學(xué)計(jì)量比稱量各原料，將稱取的原料裝入石英試管中真空密封，然后將石英管放入熔融爐中進(jìn)行熔融處理，最后隨爐冷卻至室溫，得錠體產(chǎn)物；

2)將步驟1)所得錠體產(chǎn)物置于帶噴嘴的石英管中，然后將其置于射頻銅輥上方進(jìn)行感應(yīng)熔煉、熔融旋甩，制得薄帶產(chǎn)物；

3)將步驟2)所得薄帶產(chǎn)物進(jìn)行研磨，然后進(jìn)行放電等離子燒結(jié)得致密塊體，即為所述的GeSbTe基熱電材料。

上述方案中，所述Ge單質(zhì)和Sb單質(zhì)的純度為99.999％以上，Te單質(zhì)的純度為99.9999％以上。

上述方案中，所述熔融處理工藝為：加熱至1100-1150℃保溫24h，然后隨爐冷卻至室溫。

上述方案中，步驟2)中所述噴嘴尺寸為0.5mm。