【技术实现步骤摘要】
本申请涉及一种碲化锗基热电材料及其制备方法和应用，属于热电材料。
技术介绍
1、热电技术是最简单的可以实现热能和电能直接相互转化的技术，能把太阳能、地热、机动车和工业废热转化成电，反之也能作为热泵实现制冷。热电器件具有全固态、重量轻、结构紧凑、响应快、无运动部件和有害工质等优点。模块化的特点使其易与其他能量转换技术联用，这是新能源应用非常重要的特征，因为没有单一的技术能够满足世界能源的需求。热电材料的热电性能的主要由无量纲优值zt＝s2σt/κtot来衡量，其中s为塞贝克系数、σ为电导率、κtot为总热导率、t为绝对温度。这些热电输运参数之间相互耦合相互影响，这使得热电性能的提升具有挑战性。
2、中温区热电材料碲化锗具有与碲化铅相似的晶体结构以及电子能带结构，又不含有毒元素铅，因此有望成为碲化铅的有效替代物。针对于碲化锗体系热电性能的优化，传统手段是利用掺杂等方式在基体中产生纳米第二相、微尺寸结构等降低晶格热导率这一唯一非耦合变量，改善热输运性能，从而提高材料的热电性能。近年来，针对于碲化锗的能带缺陷，能带工程也被广泛应用在优化碲化锗材料体系电输运性能上。常用的缺陷设计和能带调控虽然能优化载流子有效质量和晶格热导率，但同时会造成载流子迁移率的降低，使得碲化锗热电材料的平均热电优值提升有限。
技术实现思路
1、保持高的载流子迁移率是提升材料在宽温域内平均热电优值的关键。
2、根据本申请的一个方面，提供一种碲化锗基热电材料，采用bi、in、cd三种元素共同掺杂的
3、根据本申请的一个方面，提供一种碲化锗基热电材料，所述碲化锗基热电材料的化学式为ge1-nmnte。
4、其中，m选自bi、in、cd中的至少一种。
5、m的摩尔分数为n，0＜n≤0.11。
6、进一步地，所述碲化锗基热电材料的化学式为ge1-x-y-zbixinycdzte；
7、其中，x表示的是掺杂元素bi的摩尔分数，其取值范围为0≤x≤0.06；x的取值范围独立地选自0、0.02、0.04、0.06中的任意值或任意两者之间的范围值。
8、y表示的是掺杂元素in的摩尔分数，其取值范围为0≤y≤0.01；可选地，y的取值范围独立地选自0、0.002、0.004、0.006、0.008、0.01中的任意值或任意两者之间的范围值。
9、z表示的是掺杂元素cd的摩尔分数，其取值范围为0≤z≤0.04；可选地，z的取值范围独立地选自0、0.01、0.02、0.03、0.04中的任意值或任意两者之间的范围值；
10、根据本申请的另一个方面，提供一种上述的碲化锗基热电材料的制备方法，包括以下步骤：
11、将含有ge单质、m单质、te单质的原料混合，焙烧、退火，得到所述碲化锗基热电材料。
12、所述焙烧的温度为900～950℃；
13、可选地，所述焙烧的温度为900℃、910℃、920℃、930℃、940℃、950℃中的任意值或任意两者之间的范围值。
14、所述焙烧的时间为1～3h。
15、可选地，所述焙烧的时间为1h、2h、3h中的任意值或任意两者之间的范围值。
16、所述焙烧是在真空环境下进行；
17、所述真空环境的真空度为5pa～10pa。
18、可选地，所述真空环境的真空度为5pa、6pa、7pa、8pa、9pa、10pa中的任意值或任意两者之间的范围值。
19、所述退火的温度为600～650℃；
20、可选地，所述退火的温度为600℃、610℃、620℃、630℃、640℃、650℃中的任意值或任意两者之间的范围值。
21、所述退火的时间为48～72h。
22、可选地，所述退火的时间为48h、56h、64h、72h中的任意值或任意两者之间的范围值。
23、进一步地，当m包括bi、in、cd时：
24、包括以下步骤：
25、将含有ge源、bi源、in源、cd源和te源的原料，置于真空条件下，熔融、淬火、退火、冷却、球磨，得到粉体；
26、将所述粉体高温烧结，即可得到所述碲化锗基热电材料；
27、所述ge源、bi源、in源、cd源和te源的加入量满足式ⅰ中各元素的摩尔配比。
28、可选地，所述原料中ge源选自ge单质；bi源选自bi单质；in源选自in单质；cd源选自cd；te源选自te单质；n源选自n单质。
29、可选地，所述熔融的条件为：熔融温度900～950℃；熔融时间1～3h。
30、可选地，所述淬火的介质为：冰水或者液氮。
31、可选地，所述退火的条件为：退火温度600～650℃；退火时间48～72h。
32、可选地，所述高温烧结的温度上限独立地选自560℃、500℃、450℃、400℃，下限独立地选自360℃、500℃、450℃、400℃。
33、可选地，所述高温烧结的条件为：烧结温度500～600℃、烧结压力50～60mpa、烧结时间5～15min。
34、作为一种具体的实施方式，所述碲化锗基热电材料采用以下步骤：
35、步骤1：成料，按式ⅰ中化学组分称量，放入洁净的石英玻璃管中；在<1pa真空下密封。
36、步骤2：熔融摇摆，950℃熔融0.5小时，摇摆0.5小时。
37、步骤3：淬火，将步骤2得到的高温熔料快速置于冰水之中至完全冷凝成铸锭。
38、步骤4：退火，将步骤3得到的铸锭放入退火炉之中，退火温度600℃；退火时间48h。
39、步骤5：铸锭粉碎，在手套箱中将步骤4得到的铸锭利用玛瑙研钵进行粉碎，研磨时间10～30分钟，惰性气体保护。
40、步骤6：热压烧结，将步骤5得到的粉末放入金属/石墨模具，均匀升温升压至60mpa、550℃保温10分钟，最后冷却至室温后均匀卸压，得到样品。
41、具体地，本申请中制备得到的碲化锗基热电材料用于电热输运性能测试时，将热电材料切成3mm×3mm×13mm和1.5mm×10mm×10mm的样品。
42、根据本申请的另一个方面，提供一种上述的碲化锗基热电材料或上述的制备方法制备的碲化锗基热电材料的应用，用于中温区热电转换器。
43、所述中温区热电转换器的工作温度为177～500℃。
44、本申请能产生的有益效果包括：
45、本申请采用三种元素共同掺杂的策略，三种不同元素的共同掺杂不仅优化了碲化锗的载流子浓度和能带结构，并且在保持高载流子迁移率的情况下有效降低碲化锗的晶格热导率。因此，在电、热性能综合调控效果下使得碲化锗的热电优值得到了提高。本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种碲化锗基热电材料，其特征在于，
2.根据权利要求1所述的碲化锗基热电材料，其特征在于，
3.一种权利要求1或2任一项所述的碲化锗基热电材料的制备方法，其特征在于，
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，
7.一种权利要求1或2任一项所述的碲化锗基热电材料或权利要求3～6任一项所述的制备方法制备的碲化锗基热电材料的应用，其特征在于，
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，
【技术特征摘要】
1.一种碲化锗基热电材料，其特征在于，
2.根据权利要求1所述的碲化锗基热电材料，其特征在于，
3.一种权利要求1或2任一项所述的碲化锗基热电材料的制备方法，其特征在于，
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，
5.根据权利要求3...
【专利技术属性】
技术研发人员：郭哲，吴光杰，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：
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