[发明专利]用于实现高热电性能的载流子浓度的自调整

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2010年10月19日提交的美国临时专利申请号61/394,408的优先权，所述专利以引用的方式整体并入本文。

政府权利

本发明是受政府的支持在陆军研究办公室授予的W911NF-08-C-0058下作出的。政府具有本发明的某些权利。

技术领域

本发明涉及具有高热电性能的热电材料。

背景技术

由于由非本征掺杂剂的与温度无关的活性引起的几乎恒定的载流子密度，故热电材料的掺杂通常导致性能只在小的温度窗口中最优化。具有掺杂剂的组分梯度的功能梯度材料可以提高性能，但是很难制造。因此，在本领域中需要一种用于实现给定材料系统提供的较高热电效率的新机制。

发明内容

在某些实施方案中，本发明教导一种包括过量掺杂剂的复合物，其中过量掺杂剂具有随着温度(T)的增加而增加的溶解限度。

在一些实施方案中，复合物包括PbTe/Ag₂Te。在一些实施方案中，过量掺杂剂包括Ag。在一些实施方案中，随着T的增加而增加的溶解限度在高热电性能的温度范围内。在一些实施方案中，复合物具有在750K下不小于1.4的无量纲优值(zT)。在某些实施方案中，复合材料中掺杂剂的随温度而变的溶解限度导致随着T的增加而增加的载流子浓度(n)。

在某些实施方案中，复合物用下式表示：(Ag_xPbTe)_0.945(Ag₂Te)_0.055。在一些实施方案中，0.005≤x≤0.1。在一些实施方案中，复合物选自由以下组成的组：PbTe/Ag₂Te、PbTe/Ag₂Se、PbTe/Cu₂Te、PbTe/Cu₂Se、PbSe/Ag₂Te、PbSe/Cu₂Te、PbSe/Ag₂Se、PbSe/Cu₂Se、PbTe/CdTe、PbTe/MnTe、PbSe/CdSe、PbSe/MnSe、CoSb₃/InSb、CoSb₃/GaSb、GeSi/B、GeSi/P、Zn₄Sb₃/ZnSb、Bi₂Te₃/In₂Te₃、Bi₂Te₃/Ga₂Te₃、Sb₂Te₃/In₂Te₃和Sb₂Te₃/Ga₂Te₃。

在某些实施方案中，掺杂剂选自由以下组成的组：银(Ag)、铜(Cu)、金(Au)、镍(Ni)、锌(Zn)、锂(Li)、钠(Na)、钾(K)、铟(In)、镓(Ga)、硼(B)、磷(P)和砷(As)。

在一些实施方案中，本发明教导一种制造复合物的方法，包括：加热包括至少第一元素的第一材料和包括至少第二元素的第二材料以形成混合物；冷却混合物以沉淀包含第二元素的纳米内含物；退火混合物；以及用具有随着温度(T)的增加而增加的溶解限度的过量掺杂剂掺杂混合物。在某些实施方案中，第一材料的第一元素包括Pb。在一些实施方案中，第一材料进一步包括Te。在一些实施方案中，纳米内含物的第二元素包括Ag。在一些实施方案中，纳米内含物进一步包括Te。在某些实施方案中，随着T的增加而增加的溶解限度在高热电性能的温度范围内。在一些实施方案中，复合物具有在750K下不小于1.4的无量纲优值(zT)。在一些实施方案中，复合材料中掺杂剂的随温度而变的溶解限度导致随着T的增加而增加的载流子浓度(n)。

在某些实施方案中，复合物用下式表示：(Ag_xPbTe)_0.945(Ag₂Te)_0.055。在一些实施方案中，0.005≤x≤0.1。