[發明專利]一種硼、鋁雙摻的硅鍺基熱電材料及其制備方法

在審

• 申請號: 202111006809.1
• 申請日: 2021-08-30
• 公開（公告）號: CN113921690A
• 公開（公告）日: 2022-01-11
• 發明（設計）人: 彭英;農劍;苗蕾;高杰;劉呈燕
• 申請（專利權）人: 桂林電子科技大學
• 主分類號: H01L35/22
• 分類號: H01L35/22;H01L35/34
• 代理公司: 廣州科粵專利商標代理有限公司 44001
• 代理人: 方燕;莫瑤江

本發明公開了一種硼、鋁雙摻的硅鍺基熱電材料及其制備方法。一種硼、鋁雙摻的硅鍺基熱電材料的制備方法，包括如下步驟：(1)在惰性氣氛保護下，將原材料加入混合容器中，使原材料混合均勻，得到混合均勻的前驅粉體；(2)將上述(1)中的前驅粉體裝入可上下施加壓力的模具中進行預壓實；(3)將裝有前驅粉體的模具轉移到反應容器中，進行反應，冷卻后，得到硼、鋁雙摻的硅鍺基熱電材料。本發明通過特定含量的硼與鋁雙摻雜，并結合特定合成工藝，綜合提升硅鍺基熱電材料的性能，本發明制備的硅鍺基熱電材料，易于實現工業化制備，且在更低溫度時，能實現更高的ZT值，可大幅提升其熱電轉化效率及獲得更廣闊的應用。

技術領域

本發明涉及綠色環保型熱電轉換材料技術領域，尤其涉及一種硼、鋁雙摻的硅鍺基熱電材料及其制備方法。

背景技術

隨著人類社會的快速發展，人口迅速增加，人類的整體生活水平也迅速提高，從而導致對于能源的需求與日俱增。有限的化石能源卻日益減少，難以滿足人類社會長期可持續發展的要求，這就迫使人們探索開發新型可再生能源，諸如太陽能、風能、核能、生物質能等。除了開發新型能源，另外一種解決能源危機的途徑就是提高能量的利用效率，在傳統的能源消耗中，超過60％的能源沒有得到有效利用，而是以廢熱的形式流失。因此，關于廢熱再利用的研究，對提高能源利用效率、減少對化石燃料的依賴以及降低環境污染具有重要意義。

談及熱電轉化，最為重要的是轉換效率，而轉換效率是由熱電優值(ZT)決定的，ZT＝S²σT/k，S是賽貝克系數，σ是電導率，k是熱導率。三個重要參數相互耦合，調節起來具有一定難度。

硅鍺熱電材料傳統意義上屬于中高溫熱電材料，在上世紀50年代開始研究。硅鍺基材料在熱電領域有著無可替代的優勢，主要有以下幾點：(1)硅元素在地殼中含量豐富，占總地殼質量的26.4％，僅次于氧元素；(2)無毒無污染，干凈環保，(3)硅鍺基器件與目前智能設備的兼容性更強；(4)作為一種古老的半導體材料，硅鍺基材料的相關工藝已經相當成熟，一旦在領域內取得突破，將能很快實現產業化生產。目前的技術難題在于，硅鍺合金是由單質硅和單質鍺復合而成,這兩種材料的功率因子都比較大,但是同時他們的熱導率也比較高,因此ZT值較低。

近幾十年來，眾多圍繞如何提升硅鍺基熱電材料ZT值的研究相繼展開。如通過改變硅鍺比例調節帶隙寬度的方法、通過形成硅化物提供額外的聲子散射中心，從而降低熱導率的方法、低維化以及引入納米級摻雜物的方法等等來提升硅鍺基熱電材料的ZT值，然而上述方法尚未取得理想的效果。此外，上述方法大多數成本過高，難以實現工業化制備，而且硅鍺基熱電材料往往在高溫區域(800℃)以上才能顯現出較高ZT值，這也限制了硅鍺基熱電材料的應用場合因此硅鍺基熱電材料一直沒能得到廣泛的普及應用。

綜上所述，只有采取有效且易于實現的方法，解耦硅鍺基熱電材料賽貝克系數、電導率與熱導率之間的耦合關系，顯著提升其ZT值，才能使硅鍺基熱電材料得到普及應用。此外，將硅鍺基熱電材料的高性能區間從高溫區域向低溫區域遷移，使硅鍺基熱電材料在中低溫區域獲得理想的ZT值，必將大幅拓展硅鍺基熱電材料的應用范圍和前景。

發明內容

本發明解決了現有技術存在的上述問題，本發明的目的是提供一種硼、鋁雙摻的硅鍺基熱電材料及其制備方法，通過特定含量的硼與鋁雙摻雜，并結合特定合成工藝，綜合提升硅鍺基熱電材料的性能，本發明制備的硅鍺基熱電材料，易于實現工業化制備，且在更低溫度時，能實現更高的ZT值，可大幅提升其熱電轉化效率及獲得更廣闊的應用。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案是：一種硼、鋁雙摻的硅鍺基熱電材料，其通式為Si₈₀Ge₂₀B_0.1～1Al_2～5。

優選地，所述的硼、鋁雙摻的硅鍺基熱電材料的密度為2.1～3.1g/cm³。

本發明還保護上述硼、鋁雙摻的硅鍺基熱電材料的制備方法，包括如下步驟：