使用相分离的热电材料、使用热电材料的热电器件及其制备方法技术

本发明专利技术的一个方面公开了一种具有化学式1的组成的热电材料，化学式1：(TI)x(Bi0.5Sb1.5‑xTe3‑y)1‑x，其中，TI表示拓扑绝缘体。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种使用相分离的热电材料、使用该热电材料的热电器件及其制备方法。
技术介绍
热电效应是指热和电之间可逆的直接能量转化。热电效应通过载荷子(即材料中的电子和空穴)的转移来产生。塞贝克(Seebeck)效应是温度差向电力的直接转化，并且已应用于使用由热电材料两端之间的温度差产生的电动势来发电的领域。珀尔帖(Peltier)效应是当使电流在电路中流动时在上结点产生热而在下结点吸收热的效应，并且已应用于使用热电材料两端之间的温度差(该温度差由从外部施加的电流引起)的冷却系统领域。同时，塞贝克效应和珀尔帖效应与焦耳热效应的不同之处在于这些效应是热力学可逆的，而焦耳热效应是热力学不可逆的。近年来，热电材料已应用于半导体装置和其他电子设备的被动冷却系统，其中难以解决与主动冷却系统中的生热相关的问题，因此，需求已扩大至在使用常规制冷气体压缩法的系统中未解决这些问题的领域中，即，应用于DNA研究的精确温控系统。热电冷却是环境友好的冷却技术，其不引起震动或噪音，且其中不使用引发环境问题的制冷气体。当冷却效率随着高效热电冷却材料的发展而提高时，这种热电冷却材料将扩展到常见冷却系统的应用领域，例如商用和家用冰箱、空调等。此外，当将热电材料应用于汽车引擎单元、在工业工厂中释放出大量热的设施等时，该热电材料两端之间的温度差可以产生电力。因此，热电材料已作为一种新型的可再生能源而备受关注。
技术实现思路
[技术问题]为解决上述问题而设计了本专利技术，其目的在于一种能够增加塞贝克系数而不损失任何导电率从而改善热电性能的热电材料、使用该热电材料的热电器件及其制备方法。本专利技术的技术目的不限于这些，本领域技术人员将从以下详细说明中清楚理解本文未描述的其他技术目的。[技术方案]本专利技术的目的可以通过提供具有化学式1所示的组成的热电材料来实现：[化学式1](TI)x(Bi0.5Sb1.5-xTe3-y)1-x其中，TI表示拓扑绝缘体。在本专利技术的另一方面中，本文提供了一种具有双相结构的热电材料，其包括由预定材料构成的第一晶粒和由拓扑绝缘体构成的第二晶粒。[有益效果]下文将描述本专利技术的一个实施方式的移动终端的效果及其控制方法。根据本专利技术的至少一个实施方式，可以提供一种热电材料，其能够增加塞贝克系数和功率因数，从而改善热电性能。本专利技术的效果不限于这些，本领域技术人员将从以下详细说明中清楚理解本文未描述的其他效果。附图说明图1a～图1c是图示了用来改善热电材料的品质因数ZT的常规热电材料微结构的图。图2图示了本专利技术一个实施方式的纳米复合热电材料的微结构，其界面由不同类型的拓扑绝缘体形成。图3图示了本专利技术一个实施方式的与Bi0.5Sb1.5Te3相分离的Ag2Te相的X射线衍射(XRD)结果。图4图示了本专利技术一个实施方式的与Bi0.5Sb1.5Te3相分离的Ag2Te相的高倍透射电子显微镜(TEM)结果。图5a～5e是图示了通过测量本专利技术实施方式的热电材料(x为0.1～0.4，且表示
Ag2Te的摩尔比)和比较例的热电材料(Bi0.5Sb1.5Te3)的电导率、赛贝克系数、功率因数、热导率和品质因数ZT随热电材料的温度变化而获得的实验结果的曲线图。图6a图示了通过用离子束蚀刻复合材料(其Bi0.5Sb1.5Te3相和Ag2Te相已分离)的断面并用原子力显微镜(AFM)对该断面拍摄而获得的形貌图。图6b图示了该复合材料的导电AFM图像。图6c图示了对据认为是Ag2Te相的区域绘制的I-V特性曲线。在该I-V特性曲线中，Ag2Te相展示出半导体特性且具有较小的能隙。图6d图示了对据推定是Bi-Sb-Te相的区域绘制的I-V特征曲线。该Bi-Sb-Te相展示出半导体特性，其中该热电材料的能隙高于Ag2Te相。图7是图示了配备有车载冰箱的汽车的结构的图，所述车载冰箱包含本专利技术一个实施方式的热电材料。图8是图示了可以插入手套箱G中的冷却/加热箱的截面图，其中使用了本专利技术的一个实施方式的热电器件。图9是图示了包含本专利技术一个实施方式的热电器件的车辆用冷却/加热单元的结构的侧面截面图。图10是图示了使用了本专利技术一个实施方式的热电器件的净水器的构造图。图11是图示了使用了本专利技术一个实施方式的热电器件的冷却/加热模块的示意性透视图。图12是图示了本专利技术一个实施方式的垫的截面图。具体实施方式用于冷却泵或加热泵的在室温(300K)附近使用的热电材料的组成通常由(BiaSb1-a)2(TecSe1-c)3表示，且多晶块体材料在300K下的品质因数ZT约为1。热电材料的性能可以由品质因数ZT值确定，其通常被称为无量纲品质因数并如等式1中定义。[等式1]ZT=S2σTκ]]>在等式1中，S表示赛贝克系数(其指由每1℃的温差产生的热电功率)，σ表示电导率，T表示绝对温度，κ表示热导率。因此，S2σ表示功率因数。如等式1所示，
为了增加热电材料的品质因数ZT，应当增加赛贝克系数S和电导率σ(即功率因数S2σ)，且应当减小热导率κ。但是，由于赛贝克系数和电导率彼此具有制衡关系，所以电导率增加时赛贝克系数会降低，反之亦然，这取决于作为载荷子的电子或空穴的浓度变化。例如，具有高电导率的金属具有低赛贝克系数，具有低电导率的绝缘材料具有高赛贝克系数。赛贝克系数和电导率之间的这种制衡关系限制了功率因数的增加。图1a～图1c是图示了用来改善热电材料的品质因数ZT的常规热电材料微结构的图。为了改善热电材料的品质因数ZT，已进行了多种尝试来形成诸如超晶格薄膜、纳米线、量子点等纳米结构，从而利用量子限域效应来增加赛贝克系数或基于声子玻璃电子晶体(PGEC)概念来减小热导率。第一，量子限域效应作为以下概念使用：其中，纳米结构引起材料中载荷子的能量态密度(DOS)增加，从而增加有效质量，导致赛贝克系数增大。在此情况下，电导率和赛贝克系数之间的相互关系被破坏，因此即使在赛贝克系数增加时电导率也不会显著增加。第二，PGEC概念是以下的一种概念，其中通过阻断参与热传递的声子的移动并防止载荷子电子的移动发生阻断，来仅使热导率下降而电导率没有任何下降。即，声子和载荷子电子二者都从热电材料的高温侧向低温侧传热，其中仅有声子的移动受到屏障物阻断(声子散射)，而载荷子电子则平稳流动。因此，这一概念具有因声子散射而降低热导率的效果，但因载荷子电子而具有防止电导率降低的作用。将参照图示了热电材料微结构的附图来详细描述这类常规方法。图1a是图示了纳米复合热电材料10的微结构的图。在纳米复合热电材料10中，可以通过减小热电材料中晶粒11的尺寸来增加ZT值。晶粒11的直径可以为20～100纳米(nm)。声子散射出现在声子穿过晶粒边界12时，热导率可以随着晶粒11的尺寸的减小而降低。另一方面，由于在声子穿过晶界1时载荷子电子的移动受影响的程度相对较低，因此可以使电导率的变化最小化。所以，在具有纳米复合结构的热电材料中，热电材料的ZT值可以因PGEC概念而增大，如图1a所示。图1b是图示了经洗提的热电材料20的微结构的图，通过将预定材料21洗提到
晶界12上，该热电材料20具有增加的ZT值。洗提到晶界12上的材料21可以引起声子散射，并同时具有改善电导率的效应，因本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热电材料，其具有化学式1的组成：[化学式1](TI)x(Bi0.5Sb1.5‑xTe3‑y)1‑x其中，TI表示拓扑绝缘体。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.01.20 KR 10-2014-00065291.一种热电材料，其具有化学式1的组成：[化学式1](TI)x(Bi0.5Sb1.5-xTe3-y)1-x其中，TI表示拓扑绝缘体。2.如权利要求1所述的热电材料，其中，所述拓扑绝缘体包含AgSbTe2和AgTe2中的至少一种。3.如权利要求1所述的热电材料，其中，在化学式1中，0<x≤0.4且0<y≤0.5。4.如权利要求1所述的热电材料，根据X射线衍射(XRD)的测量，所述热电材料具有双相结构，在所述双相结构中TI和Bi0.5S...

【专利技术属性】
技术研发人员：李种洙，宋裕章，
申请(专利权)人：LG电子株式会社，庆熙大学校产学协力团，
类型：发明
国别省市：韩国;KR