一种N型碲化铋基热电材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种N型碲化铋基热电材料的制备方法，首先以N型碲化铋基晶体材料的化学计量比称量相应的原料放置于石英管中真空封装，并在高温下摇摆熔融，利用区熔法制备N型碲化铋基晶体材料；以N型碲化铋基晶体材料作为反应基体，以I2分子作为插入化合物，将反应基体和插入化合物分别放置于石英管的两端；将放置有反应基体和插入化合物的区域同时升温至一定温度并保温，实现高温蒸汽下的I2分子吸附；再采用分区降温的方式将两区域分别降至室温，获得I2分子嵌入的N型碲化铋基热电材料。该方法既保证了N型碲化铋的取向性与电学性能，又降低了晶格热导率，从而实现了N型碲化铋基热电材料电、热输运性能的协同调控和ZT值的提高。

【技术实现步骤摘要】
一种N型碲化铋基热电材料的制备方法
本专利技术涉及热电材料
，尤其涉及一种N型碲化铋基热电材料的制备方法。
技术介绍
热电材料是基于半导体的赛贝克效应和帕尔贴效应实现热能与电能之间直接相互耦合的一类功能材料，由于自身具有无污染、无噪音、尺寸小、寿命长、可精确控制等优点，热电材料在温差发电和半导体制冷两方面具有广阔的应用前景。衡量热电材料性能高低的主要参数称为热电优值，ZT＝α2σT/κ，其中α为塞贝克系数、σ为电导率、κ为热导率(包括晶格热导率κL和电子热导率κe)、T为绝对温度。ZT值越大，材料的热电转换效率越高。Bi2Te3基合金是室温附近性能最佳的热电材料，商用碲化铋通常采用区域熔炼法制备，其ZT值在1.0左右，但是目前ZT值较高的多为P型碲化铋，N型碲化铋材料的ZT值要相对低一些，这主要是由于N型碲化铋对材料的取向性更加敏感和依赖，而在实际应用中，转换效率高的热电器件需要P型和N型材料同时具有高ZT值，因此提高N型Bi2Te3的热电性能对于碲化铋基热电材料的应用非常关键。现有技术中提高N型Bi2Te3热电性能的主要方法是通过掺杂优化其电学性能，但这种方法使材料ZT值的提高很有限；而采用纳米化等方法改善N型Bi2Te3的热电性能又会破坏其取向结构，不利于电、热性能的协同优化。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种N型碲化铋基热电材料的制备方法，该方法既保证了N型碲化铋的取向性与电学性能，又降低了晶格热导率，从而实现了N型碲化铋基热电材料电、热输运性能的协同调控和ZT值的提高。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种N型碲化铋基热电材料的制备方法，所述方法包括：步骤1、以N型碲化铋基晶体材料的化学计量比称量相应的原料放置于石英管中真空封装，并在高温下摇摆熔融，利用区熔法制备N型碲化铋基晶体材料；步骤2、以所制备的N型碲化铋基晶体材料作为反应基体，以I2分子作为插入化合物，将反应基体和插入化合物分别放置于石英管的两端；步骤3、再将步骤2中的石英管进行抽真空密封处理后水平放置于可分区控温的管式炉内，将放置有反应基体和插入化合物的区域同时升温至一定温度并保温，实现高温蒸汽下的I2分子吸附；步骤4、再采用分区降温的方式将放置有反应基体和插入化合物的两区域分别降至室温，获得I2分子嵌入的N型碲化铋基热电材料。在步骤1中，所述N型碲化铋基晶体材料以Bi、Sb、Te和Se元素为原料组合。在步骤1中，所述区熔法所采用的参数包括：熔融温度700～800℃；升温速度25℃/min；熔区宽度30～40mm；温度梯度25～50℃/cm；生长速度25～30mm/h。在步骤3中的保温温度为55℃～113℃，处于I2的升华温度与熔点之间。在步骤4中，所述分区降温的方式具体为：首先以设定的降温速率降低放置有插入化合物的区域温度，待放置有插入化合物的区域温度降低30℃后，再以同样的降温速率降低放置有反应基体的区域温度，直至两区域的温度降至室温。所设定的降温速率为3-5℃/min，且整个降温过程始终保证放置有反应基体和插入化合物的两区域存在正30℃的温差。由上述本专利技术提供的技术方案可以看出，上述方法一方面利用晶体取向性保证了N型碲化铋的电学性能，另一方面利用插入的异质I2分子散射声子、降低了晶格热导率，从而实现了N型碲化铋基热电材料电、热输运性能的协同调控和ZT值的提高。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。图1为本专利技术实施例提供N型碲化铋基热电材料的制备方法流程示意图；图2为本专利技术实施例所提供反应过程的示意图；图3为本专利技术实施例所述I2插层前后N型Bi2Te2.7Se0.3的晶格热导率随温度变化曲线示意图；图4为本专利技术实施例所述I2插层前后N型Bi2Te2.7Se0.3的热电优值ZT随温度变化示意图。具体实施方式下面结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术的保护范围。下面将结合附图对本专利技术实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本专利技术实施例提供N型碲化铋基热电材料的制备方法流程示意图，所述方法包括：步骤1、以N型碲化铋基晶体材料的化学计量比称量相应的原料放置于石英管中真空封装，并在高温下摇摆熔融，利用区熔法制备N型碲化铋基晶体材料；该步骤中，所述N型碲化铋基晶体材料是以Bi、Sb、Te和Se元素为原料组合。所述区熔法所采用的参数包括：熔融温度700～800℃；升温速度25℃/min；熔区宽度30～40mm；温度梯度25～50℃/cm；生长速度25～30mm/h。步骤2、以所制备的N型碲化铋基晶体材料作为反应基体，以I2分子作为插入化合物，将反应基体和插入化合物分别放置于石英管的两端；如图2所示为本专利技术实施例所提供反应过程的示意图，图2中左侧为以I2分子作为插入化合物的区域，右侧为以N型碲化铋基晶体材料作为反应基体的区域。步骤3、再将步骤2中的石英管进行抽真空密封处理后水平放置于可分区控温的管式炉内，将放置有反应基体和插入化合物的区域同时升温至一定温度并保温，实现高温蒸汽下的I2分子吸附；这里，保温温度为55℃～113℃，处于I2的升华温度与熔点之间，以保证I2产生较高的蒸汽压，蒸汽压的作用力可以将I2分子插入到碲化铋的层间形成插层化合物，如图2所示在高温下升华I2分子，保温时间可以为6-24小时。步骤4、再采用分区降温的方式将放置有反应基体和插入化合物的两区域分别降至室温，获得I2分子嵌入的N型碲化铋基热电材料。该步骤中，分区降温的方式具体为：首先以设定的降温速率降低放置有插入化合物的区域温度，待放置有插入化合物的区域温度降低30℃后，再以同样的降温速率降低放置有反应基体的区域温度，直至两区域的温度降至室温。上述所设定的降温速率为3-5℃/min，且整个降温过程始终保证放置有反应基体和插入化合物的两区域存在正30℃的温差，从而防止多余的I2分子最后凝华在碲化铋样品表面。下面以具体的实例对上述制备方法进行详细说明：实例1、以N型Bi2Te2.7Se0.3的化学计量比称量原料Bi、Te、Se粉体，将原始粉体放置于石英管中抽真空至10-5Pa后封装处理，石英管置于摇摆炉中800℃下熔炼4小时后随炉冷却至室温；再将石英管放入区熔生长炉中，设置区熔条件：熔融温度720℃、升温速度25℃/min、熔区宽度30mm、温度梯度25℃/cm、生长速度25mm/h，制备出N型Bi2Te2.7Se0.3晶体材料。将N型Bi2Te2.7Se0.3晶体作为反应基体、适量的I2粉作为插入化合物分别放置于石英管的两端，石英管抽真空(至10-5Pa)密封处理后水平放置于可分区控温的管式炉内，将碲化铋区域与I2粉区域同时升温至60℃保温10小时。然后，先以5℃/min的降温速率降低I2粉区域的温度，待I2粉区域温度降低30℃后，再以同样的5℃/min降温速本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种N型碲化铋基热电材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括：步骤1、以N型碲化铋基晶体材料的化学计量比称量相应的原料放置于石英管中真空封装，并在高温下摇摆熔融，利用区熔法制备N型碲化铋基晶体材料；步骤2、以所制备的N型碲化铋基晶体材料作为反应基体，以I2分子作为插入化合物，将反应基体和插入化合物分别放置于石英管的两端；步骤3、再将步骤2中的石英管进行抽真空密封处理后水平放置于可分区控温的管式炉内，将放置有反应基体和插入化合物的区域同时升温至一定温度并保温，实现高温蒸汽下的I2分子吸附；步骤4、再采用分区降温的方式将放置有反应基体和插入化合物的两区域分别降至室温，获得I2分子嵌入的N型碲化铋基热电材料。

【技术特征摘要】
1.一种N型碲化铋基热电材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括：步骤1、以N型碲化铋基晶体材料的化学计量比称量相应的原料放置于石英管中真空封装，并在高温下摇摆熔融，利用区熔法制备N型碲化铋基晶体材料；步骤2、以所制备的N型碲化铋基晶体材料作为反应基体，以I2分子作为插入化合物，将反应基体和插入化合物分别放置于石英管的两端；步骤3、再将步骤2中的石英管进行抽真空密封处理后水平放置于可分区控温的管式炉内，将放置有反应基体和插入化合物的区域同时升温至一定温度并保温，实现高温蒸汽下的I2分子吸附；步骤4、再采用分区降温的方式将放置有反应基体和插入化合物的两区域分别降至室温，获得I2分子嵌入的N型碲化铋基热电材料。2.根据权利要求1所述N型碲化铋基热电材料的制备方法，其特征在于，在步骤1中，所述N型碲化铋基晶体材料以Bi、Sb、Te和Se元素为原料组合。3.根据权利要求1所述N型碲化铋...

【专利技术属性】
技术研发人员：张婷，何新民，陈飞，
申请(专利权)人：北京石油化工学院，
类型：发明
国别省市：北京,11