一种提高Bi2Te3基热电材料热电性能的方法技术

本发明专利技术涉及基热电材料技术领域，尤其涉及一种提高Bi2Te3基热电材料热电性能的方法。其步骤包括：用Te、Bi、Sb和Se单质粉体合成取向晶体；将取向晶体破碎成粉末，加入稀土元素Tb和金属元素Sn，粉碎得到Bi2Te3基P型赝三元热电材料合金粉体；后将合金粉体烘干，进行高压烧结成型；切割材料，退火，冷却。本发明专利技术中稀土掺杂可有效增加材料的点缺陷、晶界和位错，有效降低晶格热导率，同时辅以Sn的掺杂，可有效调节晶体的能带结构，增加费米能级附近的态密度，从而提升材料的热电性能，将材料的热电优值从0.5提高到1.25；本发明专利技术使用高压烧结技术与SPS技术相结合，高压烧结技术具有烧结效率高、烧结时间短、纳米晶均匀、压力变化连续可调。调。调。

【技术实现步骤摘要】
一种提高Bi2Te3基热电材料热电性能的方法


[0001]本专利技术涉及热电材料
，尤其涉及一种提高Bi2Te3基热电材料热电性能的方法。

技术介绍

[0002]目前广泛应用的传统能源利用率十分有限，导致三分之二以上的工业余热得不到有效利用而浪费。而热电材料，因为固定内部的载流子电声输运特性，可以有效利用流失的工业余热。同时制备的热电器件还具无噪音、无污染、质量轻、性能稳定、服役寿命长、体积小等优点，在民用、航空、医疗等领域均有广阔的应用前景。
[0003]目前，热电材料的种类繁多，除了传统热电材料如室温热电材料Bi2Te3、中温热电材料PbTe、高温热电材料SiGe以外，多种高性能新型热电材料如方钴矿、SnSe、Half
‑
Heuser基化合物以及Mg2Si1‑
x
Sn
x
均展示出了热电优势，得到了极大的开发。
[0004]然而，在众多的热电材料体系中，Bi2Te3基合金是室温附近性能最好的热电材料。其ZT值在室温附近为1左右，但随着温度升高，ZT值急剧降低，从而限制了Bi2Te3基合金在发电领域的应用。因此，进一步提高Bi2Te3基热电材料的热电性能，提高其应用价值、扩大其应用领域意义重大。除了通过新的制备技术来提高材料的热电性能外，掺杂也是提高材料热电性能的有效途径。稀土元素被认为是提高Bi2Te3基合金热电性能的重要掺杂元素，它可作为受主掺杂增加合金的载流子浓度，同时辅以Sn元素掺杂扩大材料带隙，使本征激发对材料热电性能的影响减弱。并结合高压烧结技术，可抑制晶粒长大，降低材料的晶格热导率，提高材料的机械性能，从而制备出可用于发电领域的高性能的P型Bi2Te3基热电材料。

技术实现思路

[0005]针对
技术介绍
中存在的问题，提出一种提高Bi2Te3基热电材料热电性能的方法。本专利技术中稀土掺杂可有效增加材料的点缺陷、晶界和位错，有效降低晶格热导率，同时辅以Sn的掺杂，可有效调节晶体的能带结构，增加费米能级附近的态密度，从而提升材料的热电性能。本专利技术使用高压烧结技术与SPS技术相结合，高压烧结技术具有烧结效率高、烧结时间短、纳米晶均匀、压力变化连续可调。将材料的热电优值从0.5提高到1.25。
[0006]本专利技术提出一种提高Bi2Te3基热电材料热电性能的方法，步骤包括；
[0007]S1、用Te、Bi、Sb和Se单质粉体，按P型(Sb2Te3)
0.73
(Bi2Te3)
0.24
(Sb2Se3)
0.03
化学计量比配比，进行真空熔炼，将粉体合成取向晶体；
[0008]S2、将(Sb2Te3)
0.73
(Bi2Te3)
0.24
(Sb2Se3)
0.03
取向晶体破碎成粉末，加入稀土元素Tb和金属元素Sn，得混合物，将混合物机械球磨至粉碎，得到Tb和Sn共掺杂的Bi2Te3基P型赝三元热电材料合金粉体；
[0009]S3、将步骤S2所得的合金粉体烘干后，将合金粉末装入模具内，高压烧结成型，得高压烧结块体材料；
[0010]S4、将步骤S3所得的块体材料切割成条状，在真空条件下退火，后随炉冷却至室
温，即得Tb和Sn双掺杂的Bi2Te3基P型赝三元热电材料。
[0011]优选的，在S1中，Te、Bi、Sb和Se单质粉体的纯度均为99.99％(质量分数)，在温度为800℃时进行真空熔炼。
[0012]优选的，在S2中，将混合物机械球磨，粉碎至粒径为1mm
‑
10mm,以石油醚为球磨介质，在转速为410r/min，球料比为10:1，球磨时间为50h的条件下，得到Tb和Sn共掺杂的Bi2Te3基P型赝三元热电材料合金粉体。
[0013]优选的，在S2中，稀土元素Tb和Sn的掺入量均为总摩尔质量的0.1％
‑
1.5％。
[0014]优选的，在S3中，烘干温度设置为100℃，烘干后采用六面顶油压机进行高压烧结成型；高压烧结条件为：烧结压力6Gpa,烧结温度600K，恒温烧结10min，恒温恒压结束后在5min内冷却至室温。
[0015]优选的，在S4中，块体材料切割成4mm
×
4mm
×
10mm的条状；退火温度为600K，保温48h。
[0016]与现有技术相比，本专利技术具有如下有益的技术效果：
[0017]本专利技术制备工艺简单、易于操作、制备条件要求不高，可有效降低生产成本。机械合金化方法在机械球磨过程中将机械能转化为化学能，能够在室温下实现元素的化合，制备出合金超微粉体材料。高压烧结技术在实现样品良好烧结并获得高致密度的同时，可以有效地抑制晶粒长大。致密的微结构有利于获得良好的电学性能，而细小的晶粒可以使声子散射增强，降低材料的晶格热导率。同时结合退火处理，使材料内部的载流子迁移率大幅提升，缺陷减少，晶格完美度提升，缺陷对载流子的散射减少，从而提高材料的热电优值(ZT＝1.25)。稀土Tb的掺杂可增加材料的载流子浓度，增强合金的散射能力，降低载流子的迁移率，从而使材料的电导率增大。同时，稀土Tb的掺杂使Bi2Te3基P型赝三元热电材料的样品晶胞体积增大，从而降低材料的热导率。同时辅以Sn元素的掺杂，一方面通过增加载流子的有效质量，使材料的能带结构变的更为复杂，从而提升了材料的Seebeck系数。另一方面，Sn元素的掺杂会抑制材料的本征激发和双级散射效应，引入大量的点缺陷，使材料的内部位错密度增加，晶格发生扭曲，从而增加多尺度声子散射，有效地降低晶格热导率，最终达到提高材料热电优值(ZT)的目的。
附图说明
[0018]图1为本专利技术中一种实施例所得Tb和Sn共掺杂的Bi2Te3基P型赝三元热电材料的载流子浓度(n)和迁移率(μ)图；
[0019]图2为本专利技术中一种实施例中T为350K时所得Tb和Sn共掺杂的Bi2Te3基P型赝三元热电材料的电导率图；
[0020]图3为本专利技术中一种实施例中T为350K时所得Tb和Sn共掺杂的Bi2Te3基P型赝三元热电材料的Seebeck系数图；
[0021]图4为本专利技术中一种实施例中T为350K时所得Tb和Sn共掺杂的Bi2Te3基P型赝三元热电材料功率因子(PF)图；
[0022]图5为本专利技术中一种实施例中T为350K时所得Tb和Sn共掺杂的Bi2Te3基P型赝三元热电材料的总热导率(k)图；
[0023]图6为本专利技术中一种实施例中T为350K时所得Tb和Sn共掺杂的Bi2Te3基P型赝三元
热电材料热电优值(ZT)图。
[0024]图7为本专利技术中一种实施例中X为0.7％时所得Tb和Sn共掺杂的Bi2Te3基P型赝三元热电材料的电导率图；
[0025]图8为本专利技术中一种实施例中X为0.7％时所得Tb和Sn共掺杂的Bi2Te3基P型赝三元热电材料的Seebeck系数图。
具体实本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种提高Bi2Te3基热电材料热电性能的方法，其特征在于，步骤包括；S1、用Te、Bi、Sb和Se单质粉体，按P型(Sb2Te3)
0.73
(Bi2Te3)
0.24
(Sb2Se3)
0.03
化学计量比配比，进行真空熔炼，将粉体合成取向晶体；S2、将(Sb2Te3)
0.73
(Bi2Te3)
0.24
(Sb2Se3)
0.03
取向晶体破碎成粉末，加入稀土元素Tb和金属元素Sn，得混合物，将混合物机械球磨至粉碎，得到Tb和Sn共掺杂的Bi2Te3基P型赝三元热电材料合金粉体；S3、将步骤S2所得的合金粉体烘干后，将合金粉末装入模具内，高压烧结成型，得高压烧结块体材料；S4、将步骤S3所得的块体材料切割成条状，在真空条件下退火，后随炉冷却至室温，即得Tb和Sn双掺杂的Bi2Te3基P型赝三元热电材料。2.根据权利要求1所述的一种提高Bi2Te3基热电材料热电性能的方法，其特征在于，在S1中，Te、Bi、Sb和Se单质粉体的纯度均为99.99％(质量分数)，在温度为80...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹显莹，徐程旭，牛犇，
申请(专利权)人：哈尔滨石油学院，
类型：发明
国别省市：