[发明专利]P-型Ga-Cd-S-Te四元化合物中温热电合金及其制备工艺

说明书

技术领域

本发明涉及新材料领域，适用于热能与电能直接转换的中温发电的关键元器件用材，是一种P-型Ga-Cd-S-Te四元化合物中温热电合金及其制备工艺。

背景技术

热电半导体材料是一种通过载流子，包括电子或空穴的运动实现电能和热能直接相互转换的新型半导体功能材料。由热电材料制作的发电和制冷装置具有体积小、无污染、无噪音、无磨损、可靠性好、寿命长等优点。在民用领域中，潜在的应用范围：家用冰箱、冷柜、超导电子器件冷却及余热发电、废热利用供电以及边远地区小型供电装置等。

热电材料的综合性能由无量纲热电优值ZT描述，ZT=Tsa²/k，其中a是Seebeck系数、s是电导率、k是热导率、T是绝对温度。因此，热电材料的性能与温度有密切的关系。迄今为止，所发现的均质热电材料，其最高热电优值（ZT）只在某一个温度值下才取得最大值。目前，已被小范围应用的中温用热电发电材料主要是50年代开发的Pb-Te基、金属硅化物等系列合金。这两者的最大热电优值在1.5左右，但Pb对环境污染较大，对人体也有伤害。另一缺点是这些材料的最佳使用温度一般在500^oC以下，因此使用温度限制较大。在本征情况下Ga-Te基合金的热电性能并不高，难以制作中温用热电器件。其主要原因是这类材料禁带宽度太大，载流子浓度不高，材料的电导率太低。但这类半导体材料的优点是使用温度较高，且具有很高的Seebeck系数。虽然本征情况下电导率较低，但杂质对载流子浓度的影响很大，因此容易改善其电导率。虽然在Ga-Te基合金中通过掺杂金属元素Sb和Cu等可以改善其电导率，但Cu元素在Ga-Te基合金中的扩散速率很大，因此，掺杂Cu等贵金属元素的Ga-Te基合金热力学稳定性不高，在服役期间性能容易失稳。

发明内容

为克服上述的不足，本发明旨在向本领域提供一种性能较为稳定的p-型四元化合物Ga-Cd-S-Te中温热电合金及其制备工艺。该材料在410^oC时热电优值为0.61，是目前所报道的Ga-Te基合金中热电性能较优的材料。因此，这项成果进一步提升了现有同类材料热电性能欠佳及使用温度较低的技术问题。其目的是通过如下技术方案实现的。

该p-型Ga-Cd-S-Te四元化合物中温热电合金的要点在于将摩尔分数为0.01的Cd替换摩尔分数为0.02的Ga，将摩尔分数为0.01的S替换摩尔分数为0.02的Te，构成四元热电合金，该四元热电合金的化学式为Ga_1.9Cd_0.05S_0.05Te_2.9。

上述热电合金采用粉末冶金法合成，其制备工艺如下：根据化学式Ga_1.9Cd_0.05S_0.05Te_2.9配比四元元素，然后放置在石英管内经真空熔炼合成，熔炼合成温度为1050～1150℃，合成时间20～28小时，然后将真空石英管内的四元合金随炉冷却至700～900℃后立即在水中淬火，将淬火后的铸锭粉碎、球磨，球磨后的粉末经放电等离子烧结制备，烧结温度为350～450℃，烧结压力40～60MPa，烧结后的块体材料在真空石英管内退火200～280小时，退火温度350～450℃。

上述制备工艺中，所述熔炼合成择优温度为1100℃，择优烧结温度为400℃，择优烧结压力为50MPa，在烧结温度下保温时间10分钟。所述热电合金烧结后的块体材料在真空石英管内择优退火为240小时，择优退火温度为390℃。