一种锗铋碲基热电材料及其制备方法技术

本申请公开了一种锗铋碲基热电材料及其制备方法，所述锗铋碲基热电材料包括化学式GeA

【技术实现步骤摘要】
一种锗铋碲基热电材料及其制备方法


[0001]本申请涉及一种锗铋碲基热电材料及其制备方法，属于热电材料领域。

技术介绍

[0002]随着社会经济的发展，有限的化石能源面临着即将枯竭的问题，因此人们转而探索新型的可再生能源，如风能、热能等，同时能源的存储、输运、转化等关键技术也吸引了高度的关注。在不断的探索与研究中，人们发现热电材料具有无噪音、污染少、系统体积小、适用温度广等优点，这些优势使得热电材料在各种民用与军事领域得到了广泛的应用。热电材料的热电性能衡量标准是ZT值，ZT＝S2σT/k，其中S为塞贝克系数，σ为电导率，T为绝对温度，κ为总热导率。理想的高ZT值热电材料需要较大的功率因数(PF＝S2σ)和较小的热导率。然而，由于这三个系数是相互耦合，提升ZT成为了一个很大的挑战。
[0003]目前热电材料的种类繁多，有低温区的Bi2Te3体系材料；高温区的硅锗合金；中温区的PbTe、SnTe基材料等，这些二元化合物都具有较高的ZT值。同时，这些二元化合物还可以形成一系列的三元化合物(ⅣTe)x(
Ⅴ2Te3)y(Ⅳ＝Ge，Sn，Pb；
Ⅴ
＝Sb，Bi)，在它们之中，Ge
‑
Sb
‑
Te(GST)通常被用作相变储存材料而被人们熟知，类似的Ge
‑
Bi
‑
Te(GBT)基化合物被认为是良好的拓扑绝缘体，良好的拓扑绝缘体与热电材料之间有着密切的联系，如Bi2Te3。大多数关于GB(S)T的研究集中在薄膜以及其拓扑性质上，关于其热电性能系统性研究的报道较少。

技术实现思路

[0004]根据本申请的一个方面，提供了一种锗铋碲基热电材料及其制备方法，该热电材料通过元素的掺杂，并调控掺杂元素的比例，提高了锗铋碲基热电材料的热电性能。
[0005]所述锗铋碲基热电材料包括式I所示化学式的化合物；
[0006]GeA
x
Bi2‑
x
Te4ꢀꢀꢀ
式I
[0007]其中，A元素为金属元素；
[0008]A元素选自IIIA族元素、VA族元素中的任意一种；
[0009]x的取值为：0＜x＜2.0。
[0010]可选地，所述IIIA族元素选自Al、Ga、In、Tl中的任意一种；
[0011]所述VA族元素选自As、Sb中的任意一种。
[0012]优选地，A元素选用Sb。
[0013]可选地，所述x的取值范围在0.5≤x≤1.5。
[0014]根据本申请的又一个方面，提供了锗铋碲基热电材料的制备方法，其特征在于，所述方法至少包括：
[0015]步骤1、将Ge源、A源、Bi源、Te源熔融、淬火，得到铸锭；
[0016]步骤2、对所述铸锭进行退火处理，得到前驱体；
[0017]步骤3、对所述前驱体进行烧结，得到所述锗铋碲基热电材料。
[0018]可选地，所述Ge源、Bi源、Te源独立选自各元素对应的单质原料；
[0019]A源选自A元素的单质、氯化物中的至少一种。
[0020]优选地，Ge源、Te源、A源、Bi源均采用单质，且纯度大于99.999％。
[0021]可选地，步骤1中，所述熔融条件为：
[0022]熔融温度700～1100℃，熔融时间为1～5h。
[0023]具体地，熔融温度的下限独立地选自700℃、750℃、800℃、850℃、900℃；熔融温度的上限独立地选自950℃、975℃、1000℃、1050℃、1100℃。
[0024]具体地，熔融时间可独立选自1h、2h、3h、4h、5h，或上述两点之间的任意数值。
[0025]可选地，所述熔融过程中，控制真空度为1～10Pa。
[0026]可选地，步骤1中，所述淬火条件为：
[0027]淬火温度20～25℃。
[0028]具体地，淬火温度独立地选自20℃、21℃、22℃、23℃、24℃、25℃，或上述两点之间的任意数值。
[0029]本申请对于淬火时间没有特别限定，本领域技术人员可根据所得铸锭的大小，淬火的要求等，选择淬火时间，比如仅几毫米规格的铸锭，放入冷水中，直接拿出即可实现淬火目的。
[0030]可选地，步骤2中，所述退火处理条件为：
[0031]退火温度550～650℃，退火时间为1～5天。
[0032]具体地，退火温度的下限独立地选自550℃、560℃、570℃、580℃、590℃；退火温度的上限独立地选自600℃、610℃、620℃、630℃、650℃。
[0033]具体地，退火时间可独立选自1天、1.5天、2天、2.5天、3天、3.5天、4天、4.5天、5天，或上述两点之间的任意数值。
[0034]可选地，步骤3中，所述烧结采用热压烧结。
[0035]可选地，所述烧结条件为：
[0036]烧结压力40～55Mpa，烧结温度400～550℃，烧结时间20～50min。
[0037]具体地，烧结压力的下限独立地选自40Mpa、42Mpa、44Mpa、45Mpa、47Mpa；烧结压力的上限独立地选自50Mpa、51Mpa、52Mpa、53Mpa、55Mpa。
[0038]具体地，烧结温度的下限独立地选自400℃、420℃、440℃、450℃、470℃；烧结温度的上限独立地选自500℃、520℃、530℃、540℃、550℃。
[0039]具体地，烧结时间可独立选自20min、25min、30min、35min、40min、45min、50min，或上述两点之间的任意数值。
[0040]本申请中，“Ge
‑
Bi(Sb)
‑
Te热电材料”，是指锗铋碲基热电材料中掺杂有一定比例的Sb，且Bi和Sb形成完全固溶体。
[0041]本申请能产生的有益效果包括：
[0042]1)本申请方法制备的得到的锗铋碲基热电材料，通过改变A、Bi的掺杂比例(即改变x的值)，特别是在掺杂Sb元素后，改变Bi和Sb的比例，能有效调控材料的载流子浓度，达到最佳范围，获得较大的功率因子。
[0043]2)本申请制备方法中，起始原料采用纯度大于99.999％的单质原料，保证最终得到的热电材料纯度更高，热电性能更优。
[0044]3)本申请制备得到锗铋碲基热电材料为组织和性能分布均匀的单一相。
[0045]4)本申请采用热压烧结法制备锗铋碲基热电材料，制备工艺、设备要求都较简单。
附图说明
[0046]图1是本申请实施例1、2制备所得热电材料的XRD图；
[0047]图2是本申请实施例1
‑
4所得热电材料的功率因子随温度变化的关系图；
[0048]图3是本申请实施例1、2所得热电材料的热电优值随温度变化的关系图。
具体实施方式
[0049]下面结合实施例详述本申本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锗铋碲基热电材料，其特征在于，所述锗铋碲基热电材料包括式I所示化学式的化合物；GeA
x
Bi2‑
x
Te4ꢀꢀꢀꢀꢀ
式I其中，A元素为金属元素；A元素选自IIIA族元素、VA族元素中的任意一种；x的取值为：0＜x＜2.0。2.根据权利要求1所述的锗铋碲基热电材料，其特征在于，所述IIIA族元素选自Al、Ga、In、Tl中的任意一种；所述VA族元素选自As、Sb中的任意一种。3.根据权利要求1所述的锗铋碲基热电材料，其特征在于，所述x的取值范围在0.5≤x≤1.5。4.权利要求1
‑
3任一项所述的锗铋碲基热电材料的制备方法，其特征在于，所述方法至少包括：步骤1、将Ge源、A源、Bi源、Te源熔融、淬火，得到铸锭；步骤2、对所述铸锭进行退火处理，得到前驱体；步骤3、对所述前驱体进行烧结，得到所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：满娜，熊成龙，刘国强，谈小建，蒋俊，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：