[發(fā)明專利]一種鉍碲系自然超晶格熱電材料及其制備方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110032453.2
• 申請日: 2021-01-11
• 公開（公告）號: CN112768594A
• 公開（公告）日: 2021-05-07
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 肖翀;趙晨晨;謝毅
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
• 主分類號: H01L35/16
• 分類號: H01L35/16;H01L35/34
• 代理公司: 北京集佳知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11227
• 代理人: 豆貝貝

本發(fā)明提供了一種鉍碲系自然超晶格熱電材料及其制備方法。本發(fā)明提供的鉍碲系自然超晶格熱電材料，具有式(1)所示結(jié)構(gòu)：Bi₄Te_5?xSe_x式(1)；其中，0＜x＜5。本發(fā)明以Bi₄Te₅為基礎(chǔ)，摻雜一定量的Se，能夠顯著提升材料的ZT值。本發(fā)明提供的制備方法包括單質(zhì)粉末混合、(真空條件下)高溫熔融淬火、研磨、(真空條件下)低溫退火和熱壓處理，在惰性氣體狀態(tài)下將單質(zhì)粉末混合均勻，并在高真空度下進行高溫熔融和淬火來保持高溫相，然后經(jīng)過低溫退火來得到材料在低溫下的穩(wěn)定相，最后經(jīng)過熱壓處理得到Bi₄Te_5?xSe_x塊材。上述制備方法相比于傳統(tǒng)固相燒結(jié)法大大縮短了制備周期，且明顯提升了材料的熱電性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及熱電材料領(lǐng)域，特別涉及一種鉍碲系自然超晶格熱電材料及其制備方法。

背景技術(shù)

在全球化石能源的快速消耗以及廢棄物增加的大環(huán)境下，廢熱再循環(huán)利用為緩解能源危機提供了新的機遇。而熱電材料作為一種可以實現(xiàn)熱能和電能之間相互轉(zhuǎn)換的特殊功能材料，其在能量循環(huán)利用領(lǐng)域的地位日益顯著。而決定熱電材料能量轉(zhuǎn)換效率的主要參數(shù)就是樣品的ZT值：ZT＝α²σT/κ。其中α是樣品的賽別克系數(shù)，定義是單位溫度梯度下材料所能產(chǎn)生的電勢差；σ是樣品的電導(dǎo)率；κ是樣品的熱導(dǎo)率，由晶格熱導(dǎo)和電子熱導(dǎo)兩部分構(gòu)成；T 是樣品測量的開爾文溫度。

Bi₄Te₅作為一種新型的中低溫區(qū)熱電材料，屬于(Bi₂)_m(Bi₂Te₃)_n同系物。其自然超晶格結(jié)構(gòu)十分具有特色，以Bi₂層和Bi₂Te₃為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)單元，通過在c 軸方向上以1:5的比例進行堆疊排列而成。具有非常好的化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，擁有獨特的電子和能帶結(jié)構(gòu)。并且此類材料普遍具有極低的本征晶格熱導(dǎo)，是一種理想的中低溫區(qū)熱電材料。然而，上述材料的能量轉(zhuǎn)換效率欠佳，且目前的合成方法主要為固相燒結(jié)法，過于繁瑣，耗時達兩周以上。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種鉍碲系自然超晶格熱電材料及其制備方法。本發(fā)明提供的熱電材料能夠明顯替身熱電性能，同時，本發(fā)明提供的制備方法簡單易行，能夠大大縮短制備周期，便于規(guī)模化生產(chǎn)。

本發(fā)明提供了一種鉍碲系自然超晶格熱電材料，具有式(1)所示結(jié)構(gòu)：

Bi₄Te_5-xSe_x 式(1)；

其中，0＜x＜5。

本發(fā)明還提供了一種上述技術(shù)方案中所述的鉍碲系自然超晶格熱電材料的制備方法，包括以下步驟：

a)在保護性氣氛下，將Bi粉、Te粉和Se粉研磨混合，得到混合粉末；

b)在真空條件下，對所述混合粉末進行熱處理，得到熔融體；

c)將所述熔融體進行冷卻淬火后，進行研磨，得到研磨粉末；

d)在真空條件下對所述研磨粉末進行退火處理，之后再進行熱壓，得到鉍碲系自然超晶格熱電材料；

所述鉍碲系自然超晶格熱電材料具有式(1)所示結(jié)構(gòu)：

Bi₄Te_5-xSe_x 式(1)；

其中，0＜x＜5。

優(yōu)選的，所述步驟b)中，所述熱處理的溫度為900～1000℃，時間為6～12h。