[發明專利]一種低溫n型熱電材料及其制備方法

有效

• 申請號: 202010170110.8
• 申請日: 2020-03-12
• 公開（公告）號: CN111304492B
• 公開（公告）日: 2021-07-06
• 發明（設計）人: 馬正青;楊明杰;王詩野;蘭電
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: H01L35/16
• 分類號: H01L35/16;C22C12/00;B22F9/04;B22F3/02;B22F3/10;B22D27/08;B22D7/00
• 代理公司: 長沙七源專利代理事務所(普通合伙) 43214
• 代理人: 周曉艷;張勇

本發明的第一目的在于提供一種低溫n型熱電材料，該熱電材料的通式為Cu_xBi₂Te_2.7?yS_ySe_0.3，其中：x的取值為0＜x≤0.2，y的取值為0y≤0.4。本發明通過添加合金元素Cu來優化載流子濃度，增加電導率；通過添加合金元素S來改變能帶結構，抑制塞貝克系數的減小；通過合金元素Cu和S的協同作用提高功率因子；通過Cu原子嵌入Bi₂Te_2.7Se_0.3晶胞之間，S原子取代Te/Se原子，增加點缺陷，增強聲子散射，降低熱電材料的晶格熱導率；本發明所得n型熱電材料在300K?400K溫度范圍內都有較高的ZT值。本發明的第二目的在于提供一種低溫n型熱電材料的制備方法，包括成分配置、氣氛保護熔煉、超聲振動快速凝固、熱電材料粉末制備及熱電材料塊體制備五大步驟，制備工藝簡單可行，可大規模生產。

技術領域

本發明涉及熱電材料技術領域，具體涉及一種低溫n型熱電材料及其制備方法。

背景技術

熱電材料是一種能夠實現熱能和電能之間相互轉換的功能材料，它在固態下通過材料中載流子的定向移動實現能量轉換，避免了化學反應、機械運動的發生，因此，熱電材料具有體積小、結構簡單、無污染、反應靈敏、不易磨損等優點。熱電轉換技術主要用于熱電發電和熱電制冷，已經成功應用于航空航天業和軍工業等，在小功率電源和作為熱電薄膜用于穿戴醫學設備方面有著廣泛的應用前景和市場需求。

根據熱電材料的工作溫度不同，可將熱電材料分為三類：低溫區熱電材料(0～200℃)，中溫區熱電材料(200℃～500℃)和高溫區熱電材料(500℃～900℃)。熱電材料的熱電轉換效率與熱電優值(ZT值)相關，在相同的環境條件下，熱電優值大的熱電材料其熱電轉換效率高，因此，為了推廣熱電材料的使用，必須提高熱電材料的熱電優值。熱電優值由熱電材料的塞貝克系數、電導率和熱導率共同決定，即ZT＝Sσ²T/κ，其中：S為塞貝克系數，σ為電導率，T為溫度，κ為熱導率。同時塞貝克系數、電導率和熱導率之間是相互影響的。Bi-Te-Se系熱電材料是目前發展比較成熟的熱電材料，其商業化的n型熱電材料在室溫附近的ZT為0.6～0.8。

如何進一步提高熱電材料的ZT值，一直都是本領域技術人員在努力克服的問題。

發明內容

本發明的第一目的在于提供一種低溫n型熱電材料，具體技術方案如下：

一種低溫n型熱電材料，該熱電材料的通式為Cu_xBi₂Te_2.7-yS_ySe_0.3，其中：x的取值為0＜x≤0.2，y的取值為0y≤0.4。

應用本發明的低溫n型熱電材料，具有以下效果：

(1)本發明通過添加合金元素Cu來優化載流子濃度，增加電導率；通過添加合金元素S來改變能帶結構，抑制塞貝克系數的減小；通過合金元素Cu和S的協同作用提高功率因子。

(2)本發明通過Cu原子嵌入Bi₂Te_2.7Se_0.3晶胞之間，S原子取代Te/Se原子，增加點缺陷，增強聲子散射，降低熱電材料的晶格熱導率。

(3)本發明所得n型熱電材料在300K-400K溫度范圍內都有較高的ZT值，可達0.85左右。

本發明的第二目的在于提供一種上述的低溫n型熱電材料的制備方法，包括以下步驟：

步驟一、成分配置，稱取Cu、Bi₂S₃、Bi、Te和Se五種原料裝入容器中；