一种具有P/N型转变的LaF3掺杂CoSb3热电材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及热电材料技术领域，具体公开了一种具有P/N型转变的LaF3掺杂CoSb3热电材料的制备方法，包括以下步骤：称取钴粉、锑粒和LaF3装入石英管；将石英管放入井式炉中进行固相反应，将铸锭进行破碎得到粉体；将粉体进行等离子放电烧结，得到致密块状LaF3掺杂CoSb3热电材料，其中烧结温度为600～650℃，压力为40～60MPa，保温时间5～8min。本发明专利技术中由于LaF3的引入，该热电材料的热电性能得到优化，最高功率因子从515μWm

【技术实现步骤摘要】
一种具有P/N型转变的LaF3掺杂CoSb3热电材料的制备方法


[0001]本专利技术涉及热电材料
，特别涉及一种具有P/N型转变的LaF3掺杂CoSb3热电材料的制备方法。

技术介绍

[0002]近年来，科技进步在给人们带来巨大便利的同时也使社会对能源的消耗与需求不断增加，全球性的能源危机日渐显现。人们迫切地需要探索和开发新型能源材料以缓解局势，其中包括光电转换材料、催化材料、压电材料以及各种储能材料等，热电材料作为一种可以直接实现热能与电能相互转化的新型能源材料，同时具备结构简单、成本低、无噪音、绿色无污染等优点引起了科学家的广泛关注。
[0003]热电材料的转化效率主要通过无量纲热电优值ZT(＝S2σT/κ)来评估，其中S、σ、κ、 T分别为塞贝克系数、电导率、热导率和绝对温度，ZT值越高，表明该热电材料的性能越优异。因而，一种高性能的热电材料必须兼具较高的功率因子(S2σ)和较低的热导率以达到较大ZT。
[0004]CoSb3热电材料是典型的“电子晶体声子玻璃”候选材料之一，具有优异的电学性能，然而其自身晶格的热导率高，纯样随温度变化易发生载流子类型转变等问题严重限制了其热电性能的提升。因而如何优化这种材料的热电性能依旧是目前本
研究的重点。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供了一种具有P/N型转变的LaF3掺杂CoSb3热电材料的制备方法，有效降低了热导率，解决了其载流子类型自发随温度发生改变，同时实现了利用掺杂量的调整来改变 CoSb3的载流子浓度类型，优化了其热电性能。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术的技术方案为：
[0007]一种具有P/N型转变的LaF3掺杂CoSb3热电材料的制备方法，包括以下步骤：
[0008]步骤1：按照化学式CoSb3称取钴粉、锑粒和质量百分比为0＜x≤2.0wt％的LaF3装入石英管，并抽真空；
[0009]步骤2：将步骤1中的石英管放入井式炉中进行固相反应，
[0010]步骤3：将步骤2中的铸锭放入高能球磨机中进行破碎得到粉体；
[0011]步骤4：将步骤3中的粉体进行等离子放电烧结，得到致密块状LaF3掺杂CoSb3热电材料，其中烧结温度为600～650℃，压力为40～60MPa，保温时间5～8min。
[0012]本技术方案的技术原理和效果在于：
[0013]1、本方案中由于掺杂材料LaF3的引入，该热电材料的热电性能得到优化，相比于未掺杂的CoSb3热电材料而言，最高功率因子从515μWm
‑1K
‑2提高到1668μWm
‑1K
‑2，最高ZT值从0.029提高到0.203，使得该种材料的热电性能得到优化。
[0014]2、本方案中掺杂材料LaF3的引入量还会影响热电材料的半导体类型，当LaF3的掺
入量为0＜x≤1.0wt％时，得到的产物为N型热电材料；而当LaF3的掺入量为1.0wt％＜x≤2.0 wt％时，得到的产物为P型热电材料；而PN转变的好处在于可以通过改变掺杂剂LaF3的含量，获得P、N型两种半导体，由于热电器件是由P型和N型半导体相互配合工作的，既需要P型半导体，又需要N型半导体，该方法可以通过只改变掺杂剂的含量得到两种类型的半导体。
[0015]3、本方案中掺杂材料LaF3的引入，还使得到的产物其半导体类型不会随温度的变化而改变，相比于未掺杂的CoSb3热电材料而言，其会随温度升高由N型逐渐过渡为P型，转变使得其热电性能恶化，且无法工业化应用。
[0016]4、本方案中烧结的温度限定在600～650℃，在该温度内烧结效果较好，可以达到较高的密度，而如果烧结温度过低，会使样品不够致密或出现开裂等问题；而烧结温度过高，则会使样品在烧结过程中过度软化而挤出，无法完成烧结，或者析出一些第二相杂质。
[0017]进一步，所述步骤1中0＜x≤1.0wt％。
[0018]有益效果：根据实验可知，当LaF3的掺入量为0＜x≤1.0wt％时，得到的产物为稳定的 N型热电材料。
[0019]进一步，所述步骤1中1.0wt％＜x≤2.0wt％。
[0020]有益效果：根据实验可知，当LaF3的掺入量为1.0wt％＜x≤2.0wt％时，得到的产物为稳定的P型热电材料。
[0021]进一步，所述步骤1中钴粉和锑粒的纯度不低于99.99％。
[0022]有益效果：该纯度下的原料能够减少最终产物中杂质的引入，减少杂质对热电材料性能的影响。
[0023]进一步，所述步骤1中石英管抽真空后，绝对真空度不超过10
‑4Pa。
[0024]有益效果：该真空度下能够保证固相反应时钴粉、锑粒和LaF3不会被氧化。
[0025]进一步，所述步骤2中固相反应的工艺参数为：从室温以1.2～1.4℃/min的速率升温至 1000℃，保温30h，然后以0.5～0.6℃/min的速率降温至800℃，保温72h，最后以2～2.2℃/min 的速率降温至20℃。
[0026]有益效果：本方案中固相反应的温度条件根据CoSb3相图进行设计，以保证获取纯相的 CoSb3，本申请中纯相的CoSb3是指，掺杂材料的元素全部进入到CoSb3的晶体结构中，不会以第二相杂质的形式出现在界面上。
[0027]进一步，所述步骤3中球磨转速为600～800r/min，球磨时间为10～15min。
[0028]有益效果：该球磨转速和球磨时间下能够保证铸锭被充分研磨成粉体。
[0029]进一步，所述步骤4中升温速率为100～105℃/min。
[0030]有益效果：升温速率会影响产物的生成，过快或过慢都有可能无法生成纯相，使得纯相的CoSb3晶体结构中出现第二相杂质。
附图说明
[0031]图1为本专利技术实施例1～4和对比例1制备得到的LaF3掺杂CoSb3热电材料的XRD图谱；
[0032]图2为本专利技术实施例1～4和对比例1制备得到的LaF3掺杂CoSb3热电材料的Seebeck 系数随温度变化的关系图；
[0033]图3为本专利技术实施例1～4和对比例1制备得到的LaF3掺杂CoSb3热电材料的功率因子随温度变化的关系图；
[0034]图4为本专利技术实施例1～4和对比例1制备得到的LaF3掺杂CoSb3热电材料的热导率随温度变化的关系图。
[0035]图5为本专利技术实施例1～4和对比例1制备得到的LaF3掺杂CoSb3热电材料的ZT值随温度变化的关系图。
具体实施方式
[0036]下面通过具体实施方式进一步详细说明：
[0037]实施例1：
[0038]一种具有P/N型转变的LaF3掺杂CoSb3热电材料的制备方法，包括以下步骤：
[0039]步骤1：按照化学式CoSb3各元素的化学计量比称取高纯度钴粉(纯度为99.99％)、锑粒(纯度为99.99％)和质量百分比为0.5％的LaF3装入本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有P/N型转变的LaF3掺杂CoSb3热电材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：按照化学式CoSb3称取钴粉、锑粒和质量百分比为0＜x≤2.0wt％的LaF3装入石英管，并抽真空；步骤2：将步骤1中的石英管放入井式炉中进行固相反应，步骤3：将步骤2中的铸锭放入高能球磨机中进行破碎得到粉体；步骤4：将步骤3中的粉体进行等离子放电烧结，得到致密块状LaF3掺杂CoSb3热电材料，其中烧结温度为600～650℃，压力为40～60MPa，保温时间5～8min。2.根据权利要求1所述的一种具有P/N型转变的LaF3掺杂CoSb3热电材料的制备方法，其特征在于：所述步骤1中0＜x≤1.0wt％。3.根据权利要求1所述的一种具有P/N型转变的LaF3掺杂CoSb3热电材料的制备方法，其特征在于：所述步骤1中1.0wt％＜x≤2.0wt％。4.根据权利要求1所述的一种具有P/N型转变的LaF3掺杂CoSb3热电材料的制备方法，其特征在于：所述步...

【专利技术属性】
技术研发人员：葛振华，杨俊旋，冯晶，顾市伟，杨星，梁昊，王子渊，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：