[發(fā)明專利]一種高性能PbTe基N型熱電材料及其制備方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010031353.3
• 申請日: 2020-01-13
• 公開（公告）號: CN111200055A
• 公開（公告）日: 2020-05-26
• 發(fā)明（設計）人: 裴艷中;李文;肖猷魏;吳怡萱
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: H01L35/16
• 分類號: H01L35/16;H01L35/34
• 代理公司: 上海科盛知識產(chǎn)權代理有限公司 31225
• 代理人: 劉燕武

本發(fā)明涉及一種高性能PbTe基N型熱電材料及其制備，該熱電材料的化學式為Cu_xPbTe_0.75Se_0.25，其中，0＜x≤0.75％。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明通過使用異價的間隙銅原子摻雜，銅原子在進入晶格后，在間隙位置能夠釋放電子，調(diào)節(jié)載流子濃度，使材料表現(xiàn)出N型半導體的性質(zhì)。由于加入的間隙銅原子在PbTe_0.75Se_0.25材料體系中具有隨溫度不斷增大的溶解度，從而在升溫過程中能夠獲得隨溫度升高而增大的載流子濃度，實現(xiàn)載流子濃度的動態(tài)優(yōu)化，增強了材料的電學輸運性能；此外，間隙銅原子的聚集能夠材料中引入高密度的晶內(nèi)位錯，這些位錯缺陷能在材料中引入顯著的晶格應變，從而大幅降低材料的晶格熱導率，大大優(yōu)化材料的熱學性能。

技術領域

本發(fā)明屬于熱電材料技術領域，涉及一種高性能PbTe基N型熱電材料及其制備方法。

背景技術

隨著化石能源(石油、煤、天然氣等)的日益枯竭，尋找新型環(huán)保的可再生能源以維持人類的可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)成為全世界各國研究熱點。近年來，憑借可以直接將溫差轉(zhuǎn)換為電勢差，沒有任何機械振動，不產(chǎn)生任何排放和噪音等優(yōu)勢，熱電材料的熱電轉(zhuǎn)換特性受到了越來越多研究者的關注。熱電材料是一種能夠通過固體中載流子的輸運實現(xiàn)熱能和電能之間相互轉(zhuǎn)換的新型功能材料，其熱能和電能的直接轉(zhuǎn)換是基于半導體的塞貝克(Seebeck)效應和帕爾帖(Peltier)效應來實現(xiàn)的。

目前，熱電材料較低的轉(zhuǎn)換效率限制了它的大規(guī)模商業(yè)應用。因此，提升熱電材料的能量轉(zhuǎn)換效率成為研究熱點。熱電材料的能量轉(zhuǎn)換效率與無量綱的熱電優(yōu)值(zT值)直接相關，其表達式可以寫成zT＝S²T/ρ(κ_E+κ_L)，其中S，ρ，T分別是塞貝克(Seebeck)系數(shù)，電阻率和絕對溫度，κ_E和κ_L分別是電子運動和晶格振動產(chǎn)生的熱導率。因此，一種性能優(yōu)異的熱電材料需要同時具有較小的電阻率，較大的塞貝克(Seebeck)系數(shù)以及較小的熱導率，這就為提升熱電性能的研究指明了方向。由于電阻率、塞貝克系數(shù)和電子熱導率之間通過載流子濃度這一物理量強烈耦合，無法單一地調(diào)控，單純調(diào)控單一量會引起其他兩個物理量的反向補償，因此電性能的指標功率因子PF(PF＝S²T/ρ)會存在一個最優(yōu)值，可以通過摻雜產(chǎn)生帶電缺陷調(diào)節(jié)載流子濃度的方式達到這個極值。最新發(fā)展起來的能帶工程可以對材料的能帶簡并度Nv(參與導電的能帶數(shù))、md*(態(tài)密度有效質(zhì)量)等參量進行調(diào)控，實現(xiàn)電學參量的解耦，從而提高材料功率因子的最優(yōu)值。在決定zT值大小的物理量中，晶格熱導率(κ_L)是唯一可以獨立調(diào)控的參量，由其關系表達式κ_L＝1/3C_vv_g²可得，具有低群速度v_g，低比熱C_v的材料體系都能夠獲得低的晶格熱導率，此外，也可通過降低聲子的弛豫時間來獲得降低材料的晶格熱導率，這可以通過在熱電材料中引入不同維度(點缺陷、位錯、納米結構等)的缺陷來增加聲子的散射來實現(xiàn)。

碲化鉛(PbTe)材料是最傳統(tǒng)的中溫區(qū)(500～900K)IV-VI族熱電材料之一，近年來，研究人員通過能帶調(diào)控、缺陷工程等策略已經(jīng)將P型PbTe材料的zT峰值提升至2.7左右，整個溫區(qū)內(nèi)的平均zT值已經(jīng)超過1.5。但是，相對于P型PbTe材料，N型PbTe材料的熱電性能較差，研究較少。目前，大多數(shù)N型PbTe熱電材料體系的zT峰值僅僅為1.4左右，這種性能的不匹配嚴重制約了PbTe基熱電器件的性能。由于N型熱電材料能帶結構簡單，很難通過能帶調(diào)控實現(xiàn)熱電性能的提升。因此，如何實現(xiàn)對N型PbTe熱電材料的熱電性能的提升則一直是本領域的難題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術存在的缺陷而提供一種高性能PbTe基N型熱電材料及其制備方法。通過缺陷工程策略，優(yōu)化N型PbTe熱電材料的電學性能和引入多維度缺陷最小化晶格熱導成為提升N型碲化鉛(PbTe)材料熱電性能的主要策略。