[發(fā)明專利]銻化鎂基熱電材料及其制備方法和應(yīng)用

有效

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• 申請日: 2022-05-06
• 公開（公告）號: CN114890791B
• 公開（公告）日: 2022-12-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李敬鋒;李靜薇
• 申請（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 主分類號: C04B35/515
• 分類號: C04B35/515;C04B35/622;C04B35/65;H01L35/16;H01L35/34
• 代理公司: 北京清亦華知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11201
• 代理人: 黃德海

本發(fā)明公開了一種銻化鎂基熱電材料及其制備方法和應(yīng)用，該銻化鎂基熱電材料原料組成為Mg_3.19?3xY_0.01Sb_1.5Bi_0.5?2x，其中，0.01≤x≤0.02。該銻化鎂基熱電材料結(jié)晶性良好，結(jié)構(gòu)致密，可重復(fù)性強(qiáng)，且電學(xué)性能好，功率因子保持在較高水平，晶格熱導(dǎo)率低，進(jìn)而獲得了較高的無量綱熱電優(yōu)值ZT值。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于能源材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種銻化鎂基熱電材料及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)

熱電材料可以實現(xiàn)熱和電的直接轉(zhuǎn)化，在廢熱回收和固態(tài)制冷方面具有巨大的潛力。但受到熱電材料性能較低的制約，目前熱電器件仍難以實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。因此，如何進(jìn)一步提高熱電材料的性能是目前的研究關(guān)鍵。熱電材料在能量轉(zhuǎn)換中的性能由無量綱熱電優(yōu)值ZT＝σS²T/κ決定，其中S是塞貝克系數(shù)，σ是電導(dǎo)率，T是絕對溫度，κ是熱導(dǎo)率。其中，S和σ都與載流子濃度密切相關(guān)，但表現(xiàn)出反向依賴性，而κ中的一部分電子熱導(dǎo)率與σ正相關(guān)。因此提高熱電性能的一般策略是如何協(xié)同調(diào)控這些傳輸特性。Bi₂Te₃、PbTe和GeTe等傳統(tǒng)熱電材料在提高熱電性能方面取得了許多成果。然而，元素碲(Te)限制了這些高性能熱電材料的廣泛商業(yè)應(yīng)用。因此，開發(fā)高性能的無碲熱電材料至關(guān)重要。

目前，鎂基熱電材料如Mg₃(Sb,Bi)₂，Mg₂(Si,Ge,Sn)和MgAgSb等在近年來開始受到關(guān)注，由于其組成元素豐度高和無毒的特點，非常具有應(yīng)用前景。其中，Mg₃(Sb,Bi)₂基合金當(dāng)屬新型熱電體系的研究重點。Mg₃Sb₂具有反α-La₂O₃型晶體結(jié)構(gòu)(空間群)，其由共價鍵和的[Mg₂Sb₂]^2-層狀骨架和沿c軸方向堆疊的Mg²⁺層片組成，陽離子與陰離子層間通過離子鍵相連。這種離子鍵和共價鍵的共存的晶體結(jié)構(gòu)使載流子和聲子都具有豐富的輸運性質(zhì)，并表現(xiàn)出良好的機(jī)械強(qiáng)度。復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)可以有效散射聲子，使材料具有本征低晶格熱導(dǎo)率，從而被認(rèn)為具有獲得高熱電性能的潛力。早期對Mg₃(Sb,Bi)₂基合金的研究認(rèn)為這是一種p型半導(dǎo)體，在773K附近ZT值為0.6～0.7左右，處在一個較低水平，因此并未引起熱電研究者的廣泛關(guān)注。直到2016年Tamaki等人(Advanced Materials,2016,28(46):10182-10187)通過Mg過量自補(bǔ)償結(jié)合摻雜Te作為載流子施主，獲得了ZT值高達(dá)1.5的n型Mg₃Sb_1.5Bi_0.5，成為其他高性能p型熱電材料配對的最佳選擇。自2018年開始，研究者們開始被Mg₃Sb_xBi_2-x展現(xiàn)的優(yōu)異低溫性能所吸引。Imasato等人(Energy Environ Sci2019；12(3):965e71)制備的Mg₃Sb_0.6Bi_1.4樣品在室溫下獲得了約0.7的ZT值，在400-500K的平均ZT為1.0-1.2。同時，由于Mg₃(Sb,Bi)₂基合金具有比碲化鉍合金更為優(yōu)異的機(jī)械性能，便于后續(xù)器件加工，因此Mg₃(Sb,Bi)₂基合金被看作能夠在未來取代碲化鉍合金實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用的熱電材料。