[發明專利]一種稀土摻雜SnTe基熱電材料

在審

• 申請號: 201710112857.6
• 申請日: 2017-02-28
• 公開（公告）號: CN106898690A
• 公開（公告）日: 2017-06-27
• 發明（設計）人: 張倩;李孝芳;張宗委;王心宇;曹峰
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學深圳研究生院
• 主分類號: H01L35/16
• 分類號: H01L35/16;H01L35/34
• 代理公司: 深圳市科吉華烽知識產權事務所(普通合伙)44248
• 代理人: 孫偉

技術領域

本發明屬于熱電材料技術領域，尤其涉及一種稀土摻雜SnTe基熱電材料。

背景技術

熱電發電機或熱電致冷器的材料稱為熱電材料，是一種能實現電能與熱能交互轉變的材料。由熱電材料制作的溫差發電和制冷器件具有無污染、無噪聲、易于維護、安全可靠等優點。最早蘇聯利用煤油燈或木材作為熱源在邊遠地區為家用無線電接收機供電。隨著空間探索興趣的增加、以及在地球日益增加的資源考察與探索活動，需要開發一類能夠自身供能且無需照看的電源系統，熱電發電對這些應用尤其合適。對于遙遠的太空探測器來說，放射性同位素供熱的熱電發電器是唯一的供電系統。已被成功的應用于美國宇航局NASA發射的Apollo，Pioneer，Voyager和Ulysses等20多個宇航器上。在俄羅斯，有1000余個類似的放射性同位素溫差發電器裝置用于北極圈附近的海洋燈塔，具有免維護運行20年設計壽命。近十幾年，我國在利用自然界溫差和工業廢熱熱電發電上也進行了大量的研究，并取得了較大的進展，具有良好的綜合社會效益。熱電制冷機具有機械壓縮制冷機難以媲美的優點：尺寸小、質量輕、無任何機械轉動部分，工作無噪聲，無液態或氣態介質，因此不存在污染環境的問題，可實現精確控溫，響應速度快，器件使用壽命長。還可為超導材料的使用提供低溫環境。另外利用熱電材料制備的微型元件用于制備微型電源、微區冷卻、光通信激激光二極管和紅外線傳感器的調溫系統，大大拓展了熱電材料的應用領域。在電子產品的散熱，生物醫學手術中的溫度控制方面均具有良好的應用前景。應該說，熱電材料是一種有著廣泛應用前景的材料，在環境污染和能源危機日益嚴重的今天，進行新型熱電材料的研究具有很強的現實意義。

熱電轉換技術可以實現熱能和電能直接相互轉換，是當前新能源研究的重點課題之一。大力發展熱電發電技術在太陽熱能發電(開源)和余熱廢熱發電(節流)等領域的應用可以有效緩解我國當前能源緊缺和環境污染問題，具有重要的戰略意義。熱電材料的性能由無量綱優值ZT＝[S²σ/(κ_e+κ_L)]T表征，提高電導率σ和塞貝克系數S，同時降低熱導率κ(κ是載流子熱導率κ_e和聲子熱導率κ_L之和)是材料優化的關鍵,但該三個物理量相互關聯，使得性能的優化受到實際的限制。近年來，通過采用能帶工程、納米工程以及新材料的不斷開發，在提高峰值熱電優值方面取得了大量進展。

無鉛SnTe具有同硫屬化鉛一樣的面心立方結構，由于SnTe具有較高的本征Sn空位，引起較高的本征載流子濃度，使得該材料的熱導率較高，而Seeebeck系數和ZT值較低，因此長期以來并沒有得到重視。無鉛的IV-VI族熱電材料SnTe的性能如果能夠進一步提高，有待取代普遍應用的其他鉛基的IV-VI族熱電材料。而未摻雜SnTe基材料具有較高的本征Sn空位，引起較高的本征載流子濃度，使得該材料的熱導率較高，而Seeebeck系數和Z值較低。雖然采用In摻雜可以通過引入共振能級提高材料的Seebeck系數，但該方法對摻雜劑的要求較高，性能提高幅度有限，共振能級的引入會降低載流子遷移率。

發明內容

針對以上技術問題，本發明公開了一種稀土摻雜SnTe基熱電材料，直接調節載流子濃度降低空穴含量，提高材料的Seebeck系數，方法簡單，可調控性強。

對此，本發明采用的技術方案為：

一種稀土摻雜SnTe基熱電材料，所述SnTe基熱電材料中摻入稀土元素，所述稀土元素摻雜的原子百分含量為0.1～2％。此技術方案采用稀土元素對SnTe基熱電材料進行摻雜，可以直接調節載流子濃度降低空穴含量，提高材料的Seebeck系數，方法簡單，可調控性強，稀土元素地球儲量豐富，被證明可以對SnTe基材料載流子調控產生有利影響。當稀土元素摻入后，容易取代Sn位，作為施主降低本征Sn空穴濃度，優化載流子濃度，從而提高了材料的熱電性能。

作為本發明的進一步改進，所述SnTe基熱電材料中摻入稀土元素，所述稀土元素摻雜的原子百分含量為0.5～1.5％。其中，所述原子百分含量為原子個數百分含量。

作為本發明的進一步改進，所述SnTe基熱電材料中摻入稀土元素，所述稀土元素摻雜的原子百分含量為0.5％。

優選的，所述稀土元素為輕稀土元素或重稀土元素。

作為本發明的進一步改進，所述稀土元素為La、Ce、Pr、Nd、Sm或Gd中的至少一種。所述La、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd為輕稀土元素。