[發明專利]一種p-型Cu4Ga6Te11基中溫熱電半導體

有效

• 申請號: 201710144261.4
• 申請日: 2017-03-10
• 公開（公告）號: CN107010609B
• 公開（公告）日: 2019-01-04
• 發明（設計）人: 崔教林
• 申請（專利權）人: 寧波工程學院
• 主分類號: C01B19/00
• 分類號: C01B19/00;H01L35/16
• 代理公司: 寧波奧凱專利事務所(普通合伙) 33227
• 代理人: 潘杰;白洪長

本發明涉及一種p?型Cu₄Ga₆Te₁₁基中溫熱電半導體，該中溫熱電半導體是在Cu₄Ga₆Te₁₁合金中采用摩爾分數為0.024的Sb等摩爾替換Cu元素，構成四元熱電半導體，化學式為Cu_3.5Ga₆Sb_0.5Te₁₁；其合成工藝為：根據化學式稱量相應量的Cu、Ga、Sb、Te四種元素，在1050～1150℃下真空熔煉120小時。熔煉結束后在液氮中急冷，然后取出鑄錠粉碎球磨，球磨后的粉末在經放電等離子火花燒結成形，燒結時間10分鐘，燒結溫度為550～650℃，燒結壓力為55～65MPa。燒結后在390℃的真空管中退火65～75小時，制備得到Cu_3.5Ga₆Sb_0.5Te₁₁熱電半導體。其具有無污染，無噪音，應用于中溫發電元器件制作，運行可靠，壽命長，制備工藝簡單等優點。

技術領域

本發明涉及新材料領域，適用于熱能與電能直接轉換的中溫發電的關鍵元器件用材，是一種p-型Cu₄Ga₆Te₁₁基中溫熱電半導體。

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：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＝Tσα²/κ，其中α是Seebeck系數、σ是電導率、κ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，材料的最高熱電優值(ZT)只在某一個溫度值下才取得最大值。目前，已被小范圍應用的發電用熱電發電材料主要是50年代開發的Pb-Te基、金屬硅化物、skutterudites和clathrates等系列合金。這些材料的最大熱電優值在1.5左右，但Pb對環境污染較大，對人體也有危害。另一缺點是這些材料的性能穩定性也有待于進一步確認。在常規條件下Cu₄Ga₆Te₁₁熱電半導體的制備難度較大，難以獲得純的Cu₄Ga₆Te₁₁相。因此需探索一種合成工藝，以獲得Cu₄Ga₆Te₁₁純相。同時，由于在本征情況下該三元材料的熱電性能不高，難以制作發電用熱電器件。其主要原因是這類材料的熱導率太大，載流子濃度也不高，因此電導率也較低。但這類半導體材料的優點是帶隙寬度適中，且具有優良熱電材料所需要的Seebeck系數。雖然本征情況下熱導率太高、電導率較低，但合適的元素雜質可以改變其能帶結構，引進雜質能級，從而獲得高的載流子濃度，從而大幅度改善其電導率。同時，由于在晶格內部固溶雜質元素后，聲子在晶格缺陷處的散射增大，從而可以降低晶格熱導率，提高材料熱電性能。

發明內容

為克服Cu₄Ga₆Te₁₁熱電半導體制備難度大且性能不足的問題，本發明旨在向本領域提供一種性能較高的p-型Cu₄Ga₆Te₁₁基中溫熱電半導體，使其解決現有同類材料熱電性能欠佳及使用溫度較低的技術問題。其目的是通過如下技術方案實現的。