[發明專利]一種單質碲基復合熱電材料的制備方法

在審

• 申請號: 201910922132.2
• 申請日: 2019-09-27
• 公開（公告）號: CN110698203A
• 公開（公告）日: 2020-01-17
• 發明（設計）人: 陳少平;安德成;王文先;樊文浩;吳玉程;孟慶森
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: C04B35/547
• 分類號: C04B35/547;C04B35/622;C04B35/64;H01L35/16;H01L35/34
• 代理公司: 14101 太原市科瑞達專利代理有限公司
• 代理人: 盧茂春

一種單質碲基復合熱電材料的制備方法，屬于熱電材料領域，其特征在于該熱電材料化學式為Te_1?x(Sb₂Se₃)_x，0≤x≤0.2。本發明所述制備方法包括如下步驟：按上述化學式摩爾分數配比稱量各原料組分，將Te塊、Sb粉和Se粉真空封裝于鍍碳石英管中；再將石英管置于垂直管式爐中熔煉；隨后進行退火處理；最后將得到的鑄錠研磨成細粉，再進行放電等離子燒結成致密的塊體具有很低的熱導率和較高的熱電性能，其熱電優值達到0.95。本發明通過熔煉工藝、退火工藝、放電等離子燒結工藝來提高單質碲基復合熱電材料的熱電性能。與現有技術相比，通過引入硒化銻組元，實現載流子濃度和晶格熱導率的協同優化，工藝過程簡單可控，成本低。

技術領域

本發明一種單質碲基復合熱電材料的制備方法屬于熱電材料領域，尤其是涉及一種通過調控Sb2Se3組元含量，優化空穴載流子濃度區間，同時在Te基體中構建包含零維置換位點缺陷、一維位錯、二維晶界和三維第二相的多維缺陷結構的單質碲基復合熱電材料及其制備方法。

背景技術

熱電能量轉換材料，作為一種無污染物排放、無傳動部件、無噪聲、高可靠性的新能源材料，能夠基于塞貝克效應，利用固體內部載流子定向運動直接將熱能轉換為電能，是極具應用前景的新一代綠色能源技術。

熱電材料的能量轉化效率通常用無量綱熱電優值ZT來表征，ZT = S²σT/κ , 其中：T為絕對溫度，S是塞貝克系數，σ是電導率，κ是總熱導率。總熱導率κ由電子熱導率κ_e和晶格熱導率κ_L兩部分組成。由于決定熱電優值ZT的三個物理參數塞貝克系數S、電導率σ、電子熱導率κ_e之間存在著強烈的相互耦合作用，使得通過單獨的參數調控不能有效提升材料的熱電性能。而晶格熱導率是一個可以相對獨立調控的影響材料熱電性能的參數。所以，通過協同調控電傳輸和熱傳輸關系，即化學摻雜增強功率因子(S²σ), 同時構建多尺度缺陷結構增強聲子散射來降低其晶格熱導率κ_L，進而實現ZT值的凈增長一直是熱電材料領域的研究目標。

Te是一種重要的單質熱電能源材料，目前獲得了很高的ZT值主要通過載流子濃度的優化，以提升其電傳輸性能。2017年裴艷中和趙立東課題組相繼通過As、Sb、Bi單一元素摻雜，將載流子濃度提高到10¹⁹cm^-3。但目前對Te熱傳輸性質的相關研究還比較少，Te的晶格熱導率的降低仍然面臨挑戰，通過適當的方法制備低熱導率的高性能Te基熱電材料具有重要的意義。

發明內容

本發明一種單質碲基復合熱電材料的制備方法的目的在于：克服現有技術存在的不足，提供一種具有低晶格熱導率的新型單質Te基熱電材料及其制備方法的技術方案，通過調控Sb₂Se₃組元含量，優化空穴載流子濃度區間，同時在Te基體中構建包含零維置換位點缺陷、一維位錯、二維晶界和三維第二相的多維缺陷結構，降低整個工作溫度區間內的材料的晶格熱導率，使材料的電-熱輸運性能得到協同優化，實現基于Te單質多晶體的材料熱電性能的提高。

本發明的目的可以通過以下技術解決方案來實現：

本發明一種單質碲基復合熱電材料，其特征在于是一種通過調控Sb₂Se₃組元含量，優化空穴載流子濃度區間，同時在Te基體中構建包含零維置換位點缺陷、一維位錯、二維晶界和三維第二相的多維缺陷結構，降低整個工作溫度區間內的材料的晶格熱導率，使材料的電-熱輸運性能得到協同優化，實現基于Te單質多晶體的熱電性能提高的一種單質碲基復合熱電材料，其化學通式為Te_1-x(Sb₂Se₃)_x，其中0≤x≤0.2。

優選的，x＝0.02～0.15,該范圍內空穴載流子濃度相對較優。