[發(fā)明專利]一種通過引入穩(wěn)定的納米異質結提高p型SnTe基材料熱電性能的方法

有效

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• 申請日: 2020-12-24
• 公開（公告）號: CN112670394B
• 公開（公告）日: 2022-11-08
• 發(fā)明（設計）人: 張久興;張靜文;李松;吳鎮(zhèn)旺;楊新宇
• 申請（專利權）人: 合肥工業(yè)大學
• 主分類號: H01L35/16
• 分類號: H01L35/16;H01L35/22;H01L35/34
• 代理公司: 安徽省合肥新安專利代理有限責任公司 34101
• 代理人: 盧敏

本發(fā)明公開了一種通過引入穩(wěn)定的納米異質結提高p型SnTe基材料熱電性能的方法，是通過在p型SnTe基材料中引入n型的碳包覆PbTe納米顆粒，構建為納米異質結，從而提高p型SnTe基材料的熱電性能。本發(fā)明的工藝簡單、操作方便、可重復性高。

技術領域

本發(fā)明涉及一種通過引入穩(wěn)定的納米異質結提高p型SnTe基材料熱電性能的方法，屬于熱電材料領域。

背景技術

熱電材料的性能與無量綱熱電優(yōu)值ZT密切相關，定義熱電優(yōu)值ZT的公式為ZT＝S²σ/k_tot＝S²σ/(k_ph+k_el)，其中S是賽貝克系數(shù)、σ是電導率、T是絕對溫度、k_tot是由電子熱導(k_el)和晶格熱導(k_ph)組成的總熱導率。近幾十年來，熱電技術在許多以汽車余熱回收為代表的工業(yè)領域得到了越來越廣泛的應用。實際工業(yè)生產產生的廢熱溫度范圍約為500～900K，故發(fā)展中溫區(qū)(400K～900K)熱電材料對于實現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展至關重要。迄今為止，具有優(yōu)異性能的中溫區(qū)p型熱電材料主要包括PbX和SnX(X＝Te、Se、S)。其中，各科研工作者發(fā)現(xiàn)SnTe具有和PbTe、PbSe相同的晶體結構和能帶結構且無毒性，因而被認為具有代替PbTe的潛力。但由于SnTe的本征Sn空位較多，表現(xiàn)為重空穴摻雜(10²⁰～10²¹cm^-3)的P型半導體，從而有著較低的塞貝克系數(shù)和較高的電子熱導率。同時由于簡單的晶體結構SnTe在室溫下具有較高的晶格熱導率(～3W/mK)，導致了純SnTe的ZT值僅為0.4。

目前，通過人為地在p型SnTe中引入n型第二相(如InSb、TiN、YbO₃等)形成納米異質結的方法被認為是降低晶格熱導率的有效方法。而實際上納米顆粒在放電等離子燒結和熱壓燒結過程中，由于比表面積大、表面活性高等問題，會由幾納米、幾十納米快速長大為幾百納米甚至幾微米，從而弱化了納米效應。而同樣是中溫區(qū)熱電材料的PbTe在270℃以上呈現(xiàn)明顯的n型半導體特性。因此，選擇穩(wěn)定的n型的PbTe納米顆粒與p型的SnTe微米顆粒復合，一方面可調控基體載流子濃度有利于提高塞貝克系數(shù)和降低電子熱導率，另一方面形成的多尺度聲子散射中心更加有利于降低晶格熱導率，進而影響的材料的熱電性能。

發(fā)明內容

基于上述現(xiàn)有技術所存在的不足，本發(fā)明旨在提供一種通過引入穩(wěn)定的納米異質結提高p型SnTe基材料熱電性能的方法。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：

一種通過引入穩(wěn)定的納米異質結提高p型SnTe基材料熱電性能的方法，其特點在于：在p型SnTe基材料中引入n型的碳包覆PbTe納米顆粒，構建為一種穩(wěn)定的納米異質結，從而既能調控載流子濃度，提高塞貝克系數(shù)和降低電子熱導率，又能維持燒結過程中PbTe納米晶的形貌和尺寸，引入更多的聲子散射中心、降低晶格熱導率，最終達到提高p型SnTe基材料熱電性能的效果。具體包括如下步驟：

步驟1、真空封管熔煉法制備Sn_1-xM_xTe合金粉末

按化學計量比稱取純度不低于99.99％的Sn、Te和M粒置于石英管中，對石英管進行密封；然后將封好的石英管置于馬弗爐中，以5～30℃/min的升溫速率升溫至1000～1200℃，保溫4～24h，使得原料在熔融狀態(tài)完全合金化，獲得Sn_1-xM_xTe合金粉末；

步驟2、水熱法制備PbTe納米顆粒