一种单质碲基复合热电材料制造技术

一种单质碲基复合热电材料，属于热电材料领域，其特征在于该热电材料化学式为Te

A single tellurium based composite thermoelectric material

【技术实现步骤摘要】
一种单质碲基复合热电材料
本专利技术一种单质碲基复合热电材料属于热电材料领域，尤其是涉及一种通过调控Sb2Se3组元含量，优化空穴载流子浓度区间，同时在Te基体中构建包含零维置换位点缺陷、一维位错、二维晶界和三维第二相的多维缺陷结构的单质碲基复合热电材料及其制备方法。
技术介绍
热电能量转换材料，作为一种无污染物排放、无传动部件、无噪声、高可靠性的新能源材料，能够基于塞贝克效应，利用固体内部载流子定向运动直接将热能转换为电能，是极具应用前景的新一代绿色能源技术。热电材料的能量转化效率通常用无量纲热电优值ZT来表征，ZT=S2σT/κ,其中：T为绝对温度，S是塞贝克系数，σ是电导率，κ是总热导率。总热导率κ由电子热导率κe和晶格热导率κL两部分组成。由于决定热电优值ZT的三个物理参数塞贝克系数S、电导率σ、电子热导率κe之间存在着强烈的相互耦合作用，使得通过单独的参数调控不能有效提升材料的热电性能。而晶格热导率是一个可以相对独立调控的影响材料热电性能的参数。所以，通过协同调控电传输和热传输关系，即化学掺杂增强功率因子(S2σ),同时构建多尺度缺陷结构增强声子散射来降低其晶格热导率κL，进而实现ZT值的净增长一直是热电材料领域的研究目标。Te是一种重要的单质热电能源材料，目前获得了很高的ZT值主要通过载流子浓度的优化，以提升其电传输性能。2017年裴艳中和赵立东课题组相继通过As、Sb、Bi单一元素掺杂，将载流子浓度提高到1019cm-3。但目前对Te热传输性质的相关研究还比较少，Te的晶格热导率的降低仍然面临挑战，通过适当的方法制备低热导率的高性能Te基热电材料具有重要的意义。
技术实现思路
本专利技术一种单质碲基复合热电材料的目的在于：克服现有技术存在的不足，提供一种具有低晶格热导率的新型单质Te基热电材料及其制备方法的技术方案，通过调控Sb2Se3组元含量，优化空穴载流子浓度区间，同时在Te基体中构建包含零维置换位点缺陷、一维位错、二维晶界和三维第二相的多维缺陷结构，降低整个工作温度区间内的材料的晶格热导率，使材料的电-热输运性能得到协同优化，实现基于Te单质多晶体的材料热电性能的提高。本专利技术的目的可以通过以下技术解决方案来实现：本专利技术一种单质碲基复合热电材料，其特征在于是一种通过调控Sb2Se3组元含量，优化空穴载流子浓度区间，同时在Te基体中构建包含零维置换位点缺陷、一维位错、二维晶界和三维第二相的多维缺陷结构，降低整个工作温度区间内的材料的晶格热导率，使材料的电-热输运性能得到协同优化，实现基于Te单质多晶体的热电性能提高的一种单质碲基复合热电材料，其化学通式为Te1-x(Sb2Se3)x，其中0≤x≤0.2。优选的，x＝0.02～0.15,该范围内空穴载流子浓度相对较优。进一步优选的，x＝0.03～0.1，此时，空穴载流子浓度得到优化，载流子迁移率较高，电传输性能有效提高，同时能够获得较低的晶格热导率。更进一步优选的，所述的x＝0.05时，热电优值可以在600K时达到峰值0.95。上述一种单质碲基复合热电材料的制备方法，其特征在于是一种通过调控Sb2Se3组元含量，优化空穴载流子浓度区间，同时在Te基体中构建包含零维置换位点缺陷、一维位错、二维晶界和三维第二相的多维缺陷结构，降低整个工作温度区间内的材料的晶格热导率，使材料的电-热输运性能得到协同优化，实现基于Te单质多晶体的热电性能提高的一种单质碲基复合热电材料的制备方法，该方法包括以下步骤：(1)将纯度不低于99.99％的Te块、Sb粉和Se粉，按Te1-x(Sb2Se3)x中的摩尔分数配比称量各原料组分，装入镀碳石英管中并抽真空封装；(2)将在步骤(1)中完成的装有单质原料的石英管放置在垂直管式炉中加热，缓慢升温至熔融温度，使原料在熔融状态下充分反应，随后在水中淬火，得到初始铸锭；(3)将在步骤(2)中得到的初始铸锭再次真空封装于镀碳石英管内，放入垂直管式炉中，升温退火，随后淬火，得到退火铸锭；(4)将在步骤(3)中得到的退火铸锭研磨成细粉，装入石墨模具中，放电等离子烧结，随后炉冷，获得致密的块状Te基复合热电材料。优选的，所述步骤(1)中，所述镀碳石英管的制备方法为：将高纯丙酮浸润的石英管管体用氢氧火焰缓慢烧灼所得，备用。优选的，所述步骤(1)中，单质原料装入镀碳石英管时，按照密度从小到大依次装入。优选的，所述步骤(1)中，所述抽真空后的绝对真空度小于10-3Pa。优选的，所述步骤(2)中，加热过程具体为：以每小时50～80℃的升温速率将石英管从室温加热至600～700℃并保温2～4天，使原料在熔融状态下进行充分的反应。进一步优选的，所述步骤(2)中，加热熔炼的过程具体为：将石英管以每小时60℃的升温速率从室温加热至650℃并保温3天。优选的，所述步骤(3)中，升温退火的过程具体为：以每小时100～200℃的速率将石英管从室温升温至400～500℃并保温2～4天。进一步优选的，所述步骤(3)中，升温退火的过程具体为：以每小时150℃的速率将石英管从室温升温至450℃并保温3天，进行退火处理。优选的，所述步骤(4)中，放电等离子烧结的过程具体为：放电等离子烧结炉抽真空至30Pa以下，以70℃/min的加热速率升温至390～410℃，烧结压力调节为40～50MPa，并恒温恒压保持5～10min，进行放电等离子烧结。进一步优选的，所述步骤(4)中，放电等离子烧结的工艺条件为：烧结温度为400℃，烧结所用压力为45MPa，保温时间为8min。本专利技术一种单质碲基复合热电材料与现有技术相比，具有以下显著优点：本专利技术重点研究Te单质热电材料，其具有特殊的能带结构和相对复杂的准一维晶体结构，但由于本征晶格热导率相对较高，热传输性能仍有较大优化空间，这是限制其热电性能的主要原因。本专利技术通过引入硒化锑组元，使用锑原子对Te单质进行化学掺杂优化其空穴载流子浓度至2×1019cm-3左右；同时在Te基体中构建由硒原子置换位点缺陷，晶格畸变位错，晶界和Sb2TeSe2第二相组成的多维缺陷微观结构，散射宽频声子，使其晶格热导率大幅度降低至0.55W/mK，最终热电优值在600K达到0.95，成为一种极具应用价值的单质热电材料。具体可概括为：(1)通过对原料加热熔炼-高温退火-放电等离子烧结工艺的调整优化，得到在整个工作温度范围内(300K～600K)具有较低热导率的致密的单质Te块体热电材料。(2)通过调控硒化锑组元含量，实现了载流子浓度和晶格热导率的协同优化，使得Te基体的空穴载流子浓度达到优化水平(至2×1019cm-3)，电传输性能得到显著改善。同时由于引入硒化锑，在Te基体中形成了多维多尺寸缺陷结构，实现了宽频声子散射，材料的晶格热导率降低了50％左右，在载流子浓度增加和晶格热导率降低的协同作用下，材料的热电优值在600K达到了0.95，与用有毒的砷元素掺杂Te实现的热电性能相当。可见，本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单质碲基复合热电材料，其特征在于是一种通过调控Sb2Se3组元含量，优化空穴载流子浓度区间，同时在Te基体中构建包含零维置换位点缺陷、一维位错、二维晶界和三维第二相的多维缺陷结构，降低整个工作温度区间内的材料的晶格热导率，使材料的电-热输运性能得到协同优化，实现基于Te单质多晶体的热电性能提高的一种单质碲基复合热电材料，其化学式为Te

【技术特征摘要】
1.一种单质碲基复合热电材料，其特征在于是一种通过调控Sb2Se3组元含量，优化空穴载流子浓度区间，同时在Te基体中构建包含零维置换位点缺陷、一维位错、二维晶界和三维第二相的多维缺陷结构，降低整个工作温度区间内的材料的晶格热导率，使材料的电-热输运性能得到协同优化，实现基于Te单质多晶体的热电性能提高的一种单质碲基复合热电材料，其化学式为Te1-x(Sb2Se3)x，其中0≤x≤0.2。


2.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈少平，安德成，王文先，樊文浩，吴玉程，孟庆森，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西;14