一种n型SmMg2Sb2基热电材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种n型SmMg2Sb2基热电材料及其制备方法，所述n型SmMg2Sb2基热电材料的化学通式为SmMg

【技术实现步骤摘要】
一种n型SmMg2Sb2基热电材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于热电材料
，尤其涉及一种n型SmMg2Sb2基热电材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]热电材料的性能由无量纲优值zT＝[S2σ/(κ
e
+κ
L
)]表征，提高电导率σ和塞贝克系数S，同时降低热导率κ(κ是载流子热导率κ
e
，晶格热导率κ
L
和双极效应κ
B
之和)是材料优化的关键，但该三个物理量相互关联，难以单独调控，这是限制材料热电性能提升的主要原因。理想的热电材料应具备较高的塞贝克系数、高的电导率和低的晶格热导率，从而获得较大的zT值。
[0003]AB2X2(1
‑2‑
2型)Zintl相化合物是一种极性金属间化合物，在晶体中同时具有离子键和共价键。在晶体中，以共价键结合的阴离子框架为电输运提供良好的通道，同时复杂的晶体结构使得AB2X2材料具备很低的本征晶格热导率。AB2X2化合物元素组成非常丰富。其中，A位一般为碱土元素或二价的稀土元素(如：Mg，Ca，Ba，Sr，Yb，Eu，Sm)。B位元素主要为过渡族元素(如：Mn，Zn，Cd)。X位元素有Sb和Bi。丰富的种类和特殊的晶体结构使得AB2X2化合物受到热电领域广泛的关注。由于AB2X2合金中存在明显的本征阳离子空位，大部分AB2X2合金都呈现出强烈的p型导电特征。如图1所示为AB2X2的晶体结构图，可见在AB2X2型Zintl相材料中，A位极易形成空位，一个A位空位会产生两个空穴，所以AB2X2材料一般都呈现出本征p型导电特征，阳离子空位缺陷的自补偿效应使得n型AB2X2合金难以制备。同时，图2为AZn2Sb2合金(A：Yb，Ca，Eu，Sr)中A位空位形成能，文献计算表明，A位空位的缺陷形成能随着费米能级往导带移动而降低，即进行n型掺杂时，由于A位空位形成能降低，会有更多的空位产生，空穴浓度也随之升高，难以获得n型。所以目前报道的主要是p型AB2X2的热电性能，关于n型AB2X2合金很少见到有报道。
[0004]然而，一个完整的热电器件需要热电性能和热稳定性都相匹配的材料组装配对，同时理论计算也表明AB2X2合金的导带底位于布里渊区中对称性更高的k点，具有更好的热电性能。因此，n型AB2X2合金热电性能的研究具有很高的价值和意义。

技术实现思路

[0005]针对以上技术问题，本专利技术公开了一种n型SmMg2Sb2基热电材料及其制备方法，该材料的本征空穴浓度约4
×
10
16
cm
‑3，电子迁移率比空穴迁移率高出220％，在600K以上时材料呈现n型半导体特性。
[0006]对此，本专利技术采用的技术方案为：
[0007]一种n型SmMg2Sb2基热电材料，其化学通式为SmMg
2.3
Sb2‑
x
‑
y
Bi
y
Te
x
，0<x≤0.03，0≤y≤0.5。采用此技术方案的SmMg2Sb2基热电材料，在600K以上时呈现n型导电特征，突破了现有技术的AB2X2合金基本为p型的限制，态密度有效质量高于所有报道的p型AB2X2合金。
[0008]作为本专利技术的进一步改进，所述的n型SmMg2Sb2基热电材料的化学通式为
SmMg
2.3
Sb2、SmMg
2.3
Sb2‑
x
Te
x
、或SmMg
2.3
Sb
1.97
‑
y
Bi
y
Te
0.03
，0≤x≤0.03，0≤y≤0.5。
[0009]作为本专利技术的进一步改进，x为0、0.0005、0.010、0.020、0.025或0.030，y为0、010、0.25或0.5。
[0010]本专利技术还公开了如上所述的n型SmMg2Sb2基热电材料的制备方法，在氩气氛围中，根据化学通式的化学计量比称取Sm粉、Mg粉、Sb粉、Bi粉和Te粉装入球磨罐中进行高能球磨，球磨时间为4
‑
8h，将球磨得到的合金粉体装入石墨模具中，以100℃/min升温至900～1000℃烧结1.5～3分钟，烧结时压力为40～60MPa，随炉冷却，得到n型SmMg2Sb2基热电材料。
[0011]作为本专利技术的进一步改进，所述烧结温度为950℃，压力为50Mpa。
[0012]作为本专利技术的进一步改进，所述球磨时间为6小时。
[0013]作为本专利技术的进一步改进，所述球磨罐中，球料比为1：0.8～1.2。
[0014]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0015]本专利技术的技术方案利用机械合金化法制备了n型SmMg2Sb2基热电材料，得到的SmMg2Sb2基热电材料具有较低的本征空穴浓度，室温下约4
×
10
16
cm
‑3，同时其电子迁移率比空穴迁移率高出220％。由于本征激发，高温时(＞600K)电子浓度和空穴浓度相差较小，材料便呈现出n型导电特征。通过Mg过量和Te掺杂调控电子浓度后，在室温下便可得到n型SmMg2Sb2基热电材料。能带结构表明SmMg2Sb2基热电材料的导带简并度为6，实验结果证明n型的态密度有效质量为2.6m0，高于所有报道的p型AB2X2合金。优异的导带结构使得n型SmMg2Sb2基热电材料具有很高的电输运性能。最终，在调控电子浓度和晶格热导率后，n型SmMg2Sb2基热电材料的zT值在873K达到1.0。本专利技术的技术方案对其他有潜力的AB2X2合金的n型热电性能研究具有重要指导意义。
附图说明
[0016]图1是本专利技术现有技术的AB2X2合金的空位缺陷示意图。
[0017]图2是本专利技术现有技术的AZn2Sb2合金(A：Yb，Ca，Eu，Sr)中A位空位形成能。
[0018]图3是本专利技术实施例1的SmMg
2.3
Sb2和实施例2的SmMg2Sb2热电性能对比；其中，(a)是塞贝克系数对比图，(b)是霍尔载流子浓度对比图。
[0019]图4是本专利技术实施例1的SmMg
2.3
Sb2的性能曲线；其中，(a)是变温霍尔系数绝对值，(b)是600K以上时SmMg
2.3
Sb2的变温电子迁移率和空穴迁移率(计算值)。
[0020]图5是本专利技术实施例3的SmMg
2.3
Sb2‑
x
Te
x
(x＝0.005、0.010、0.020、0.025、0.030)的热电性能图；其中，(a)是电子浓度，(b)是塞贝克系数，(c)是功率因子，(d)是573K时塞贝克系数数值与霍尔载流子浓度关系(曲线由单带模型计算得出)。
[0021]图6是本专利技术实施例2的SmMg2Sb2的能本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种n型SmMg2Sb2基热电材料，其特征在于：其化学通式为SmMg
2.3
Sb2‑
x
‑
y
Bi
y
Te
x
，0<x≤0.03，0≤y≤0.5。2.根据权利要求1所述的n型SmMg2Sb2基热电材料，其特征在于：其化学通式为SmMg
2.3
Sb2、SmMg
2.3
Sb2‑
x
Te
x
、或SmMg
2.3
Sb
1.97
‑
y
Bi
y
Te
0.03
，0≤x≤0.03，0≤y≤0.5。3.根据权利要求2所述的n型SmMg2Sb2基热电材料，其特征在于：x为0、...

【专利技术属性】
技术研发人员：张倩，张宗委，毛俊，谢国强，曹峰，李孝芳，王心宇，刘兴军，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学深圳，
类型：发明
国别省市：