[發明專利]一種共摻雜Cu和Bi提高n型PbTe基熱電材料性能的方法

有效

• 申請號: 202110776709.0
• 申請日: 2021-07-09
• 公開（公告）號: CN113421960B
• 公開（公告）日: 2022-12-06
• 發明（設計）人: 黃中月;王飛;余愿;袁寶國
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: H01L35/16
• 分類號: H01L35/16;H01L35/18;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

本發明公開了一種共摻雜Cu和Bi提高n型PbTe基熱電材料性能的方法，是按照Pb_0.999Bi_0.001Te?xat％Cu₂Te的化學計量比，在n型PbTe基熱電材料中摻雜Cu和Bi，從而提高其性能，其中x的范圍在1.0?5.0。本發明具有工藝簡單、設備成本低、經濟性高、可重復性高等優點，所制備的PbTe基熱電材料具有高的功率因子的同時具有較低的熱導率，其ZT值在n型PbTe基材料中處于較高水平，具有廣闊的應用前景。

技術領域

本發明涉及熱電材料領域，具體涉及一種共摻雜Cu和Bi提高n型PbTe基熱電材料性能的方法。

背景技術

隨著世界文明的發展，煤、石油、天然氣等非再生能源緊缺的問題日趨嚴重，且使用這些能源材料的過程中所伴隨產生的大量熱幾乎都排入大氣中，造成能源的浪費。熱電材料是一種可將熱能與電能直接相互轉換的功能材料，而PbTe基熱電材料屬于性能較高的中溫材料，可應用于發電設備，具有良好的應用前景。若能將n型PbTe材料的ZT值提高至與p型材料相匹配，則能促進熱電材料真正實現商業化，從而大大緩解能源緊張的現狀。

熱電材料的性能主要由無量綱值(ZT)來衡量，表達式為：ZT＝S²σT/κ，其中S為塞貝克系數，σ為電導率，T為絕對溫度，κ為熱導率(包括電子熱導率κ_e和晶格熱導率κ_l)。從表達式可以看出，高性能的熱電材料應該具有高的功率因子(S和σ)和低的熱導率κ，然而S、σ和κ_e三者相互耦合，這大大增加了性能優化的難度。

熱電材料的理想載流子濃度是隨溫度發生變化的，而動態摻雜則可以利用溶解度隨溫度變化的特點來實現載流子濃度隨溫度變化，這一方法可以實現全溫區范圍的性能優化，從而提高材料的平均ZT值和轉換效率，并擴寬材料的使用溫度范圍。

發明內容

本發明旨在提供一種工藝簡單、經濟性高、適合大規模生產的共摻雜Cu和Bi提高n型PbTe基熱電材料性能的方法，以期獲得熱電性能高的n型PbTe基熱電材料。

為實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種共摻雜Cu和Bi提高n型PbTe基熱電材料性能的方法，其特點在于：按照Pb_0.999Bi_0.001Te-xat％Cu₂Te的化學計量比，在n型PbTe基熱電材料中摻雜Cu和Bi，從而提高其性能，其中x的范圍在1.0-5.0。具體包括如下步驟：

步驟1、按照化學計量比稱量Pb顆粒、Bi顆粒、Te顆粒以及Cu片原料，將原料置于石英管中，對石英管抽真空，然后用高溫火焰實現真空封管；

步驟2、將石英管置于箱式爐中進行熔煉，隨后置于冷水中淬火，初步得到鑄錠；

步驟3、將淬火后的石英管置于管式爐中進行退火處理；

步驟4、將石英管中的鑄錠取出，研磨成粉末；

步驟5、將步驟4所得粉末裝入石墨模具中，利用放電等離子燒結法燒結成型。

進一步地，步驟1中，各原料的純度不低于99.99％。

進一步地，步驟2中，所述熔煉的工藝為：經650～720min從室溫升至1050～1100℃并保溫1h，再經60～70min降溫至1000℃并保溫6h～12h。

進一步地，步驟3中，所述退火的工藝為：經350～400min升溫至700℃并保溫2800min～3000min，然后隨爐冷卻至室溫。

進一步地，步驟5中，所述放電等離子燒結的工藝為：在50～60Mpa的壓力下以60～80℃/min的升溫速度升至550℃，保溫5min，隨爐冷卻至80℃取出。