一种Cu掺杂的(Bi,Sb)2Te3热电材料的制备方法及其产品技术

本发明专利技术公开了一种Cu掺杂的(Bi,Sb)2Te3热电材料的制备方法及其产品，涉及热电材料技术领域。该制备方法，包括以下步骤：将单质Bi、Sb、Te和Cu，按照Cu

【技术实现步骤摘要】
一种Cu掺杂的(Bi,Sb)2Te3热电材料的制备方法及其产品


[0001]本专利技术涉及热电材料
，特别是涉及一种Cu掺杂的(Bi,Sb)2Te3热电材料的制备方法及其产品。

技术介绍

[0002]热电(TE)材料可以将热能直接转换为电能，反之亦然。无量纲优值ZT是评价热电效率的指标；它由公式ZT＝α2σT/κ决定，其中α为塞贝克系数、σ为电导率、κ为热导率和T为绝对温度。为了追求最大化制冷或发电，研究人员专注于在不同温度范围内产生高ZT值。迄今为止，p型碲化铋在接近室温下表现出优异的热电性能，使其成为热电研究中最常用的材料。
[0003]在Bi2Te3基体中引入缺陷是提高其性能的有效途径。在特殊的层状和原子排列结构中容易形成本征反位缺陷(Sb
′
Te
，Bi
′
Te
)和阴离子空位(V
″
Te
)。调整成分是控制碲化铋系统缺陷的重要方法。此外，缺陷浓度可以通过制备工艺来控制。近年来，热变形、液相烧结、高压扭转等加工技术已得到应用，这些技术不仅能产生缺陷，还能诱发各种微观组织，如织构、纳米级畸变等。因此，优化了载流子浓度，从而获得较高的功率因子(PF)。此外，缺陷和微结构可能作为额外的声子散射中心，降低热导率。考虑到对电和热输运性能的影响，引入此类缺陷可以进一步调整ZT值。
[0004]掺杂是一种常用的诱发非本征缺陷的方法，通常通过调节费米能级来调节载流子浓度。在众多的掺杂元素中，Cu在几种热电材料中得到了广泛的研究，并一直发挥着积极的作用。自20世纪50年代以来，掺杂Cu被发现可以有效提高碲化铋的热电性能，并有许多相关研究报道。然而，大量证据证实了Cu基材料中存在明显的Cu离子迁移，这会对热电性能产生负面影响。Cu离子很容易迁移；因此，Cu掺杂碲化铋的稳定性一直是一个值得探讨的问题。以前的研究试图通过反复测试来验证碲化铋合金中Cu离子的迁移情况；然而，该方法只考虑了每个测试样品中Cu离子迁移的影响。对于Cu掺杂浓度较低的样品，多次测试结果的差异很小，并且Cu离子在两次测量之间可能迁移回样品的原始区域。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种Cu掺杂的(Bi,Sb)2Te3热电材料的制备方法及其产品，以解决上述现有技术存在的问题，采用机械合金化和放电等离子烧结相结合的方法合成了Cu掺杂的Bi
0.3
Sb
1.7
Te3，本专利技术制备的Cu掺杂的(Bi,Sb)2Te3热电材料，高热电性能和抗高电流脉冲的稳定性得到增强。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0007]本专利技术提供一种Cu掺杂的(Bi,Sb)2Te3热电材料的制备方法，包括以下步骤：将单质Bi、Sb、Te和Cu，按照Cu
x
Bi
0.3
Sb
1.7
‑
x
Te3，0.0008≤x≤0.0075的化学计量比进行称量，称量好的原料经球磨机打磨成机械合金化粉末，再将所述机械合金化粉末倒入石墨模具中，经过放电等离子体烧结得到所述Cu掺杂的(Bi,Sb)2Te3热电材料。
[0008]优选地，x为0.001。
[0009]进一步地，所述放电等离子体烧结的烧结压力为50MPa。
[0010]进一步地，所述放电等离子体烧结的烧结温度为673K。
[0011]进一步地，所述放电等离子体烧结的烧结时间为5min。
[0012]进一步地，所述原料在球磨机中打磨时，所述原料放入球磨罐后，对所述球磨罐抽真空并充入氩气和氢气。
[0013]进一步地，所述氩气和所述氢气的体积比为95:5。
[0014]本专利技术还提供一种根据上述的制备方法制备得到的Cu掺杂的(Bi,Sb)2Te3热电材料。
[0015]本专利技术公开了以下技术效果：
[0016]本专利技术用机械合金化和放电等离子烧结相结合的方法合成了Cu掺杂的(Bi,Sb)2Te3热电材料，通过调整Cu的掺杂量，提高了电导率和功率因子，降低了晶格热导率，导致在400K时无量纲优值(ZT)高达1.32。即使烧结样品在523K下经受100A电流脉冲(ECP)30分钟后，这种高热电性能仍可保持。电流脉冲处理会导致晶粒细化和纳米级不均匀性，从而降低了晶格热导率，消除了因功率因子略微下降而造成的对ZT的负面影响。这一工作验证了Cu掺杂对Bi2‑
x
Sb
x
Te3的有效性，也为热电材料的稳定性研究提供了一种简便的方法。
附图说明
[0017]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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的附图。
[0018]图1为Cu
x
Bi
0.3
Sb
1.7
Te3(x＝0，0.0008，0.001，0.0025，0.005，0.0075)的XRD谱图；
[0019]图2为Cu
0.001
Bi
0.3
Sb
1.699
Te3抛光表面主要元素的EDS面扫描图；
[0020]图3为Cu
x
Bi
0.3
Sb
1.7
‑
x
Te的电导率(a)、霍尔载流子浓度(b)、霍尔迁移率(c)和塞贝克系数(d)与温度的关系，图中点线展示了多次重复实验中的最佳性能；
[0021]图4为Cu
x
Bi
0.3
Sb
1.7
‑
x
Te3的功率因子与温度的关系；
[0022]图5为Cu
x
Bi
0.3
Sb
1.7
‑
x
Te3样品的总热导率(a)和晶格热导率+双极热导率(b)与温度的关系；图中点线展示了多次重复实验中的最佳性能；
[0023]图6为Cu
x
Bi
0.3
Sb
1.7
‑
x
Te3样品的ZT值与温度的关系，图中点线展示了多次重复实验中的最佳性能；
[0024]图7为x＝0.001样品在ECP处理前后的XRD谱图；
[0025]图8为ECP处理前后Cu
0.001
Bi
0.3
Sb
1.699
Te3的全部工艺示意图和SEM图像；
[0026]图9为Cu
0.001
Bi
0.3
Sb
1.699
Te3样品经ECP处理后的SEM图像：(a)～(c)1端、(d)～(f)2端；
[0027]图10为经ECP处本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Cu掺杂的(Bi,Sb)2Te3热电材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将单质Bi、Sb、Te和Cu，按照Cu
x
Bi
0.3
Sb
1.7
‑
x
Te3，0.0008≤x≤0.0075的化学计量比进行称量，称量好的原料经球磨机打磨成机械合金化粉末，再将所述机械合金化粉末倒入石墨模具中，经过放电等离子体烧结得到所述Cu掺杂的(Bi,Sb)2Te3热电材料。2.根据权利要求1所述的Cu掺杂的(Bi,Sb)2Te3热电材料的制备方法，其特征在于，x为0.001。3.根据权利要求1所述的Cu掺杂的(Bi,Sb)2Te3热电材料的制备方法，其特征在于，所述放电等离子体烧结的烧结压力为50M...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘峰铭，李敬锋，蔡博文，
申请(专利权)人：广西自贸区见炬科技有限公司，
类型：发明
国别省市：