[发明专利]n-型In-Sn-Li-Se基半导体中高温热电材料及其制备工艺

说明书

技术领域

本发明涉及新材料领域，是一种n-型In-Sn-Li-Se基半导体中高温热电材料及其制备工艺。

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，材料的最高热电优值（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高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InSe半导体的热电性能并不高，难以制作发电用热电器件；其主要原因是这类材料内部的载流子浓度不高，材料电导率太低。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，但合适的元素杂质可以改变其载流子浓度，从而大幅度改善其电导率。

发明内容

为克服本征InSe半导体的不足，本发明旨在向本领域提供一种性能较高的n-型In-Sn-Li-Se基半导体中高温热电材料及其制备工艺，使其解决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n-型In-Sn-Li-Se基半导体中高温热电材料是在InSe合金中添加摩尔分数为0.00495的Sn元素及0.00495的Li元素，构成四元热电材料，该四元热电材料的化学式为InSn_0.01Li_0.01Se。上述热电材料采用粉末冶金法制备而成，其制备工艺如下：根据化学式InSn_0.01Li_0.01Se在高真空手套箱中配比四种元素，后直接放在石英管内用石蜡封口取出。然后迅速将含有四种元素的石英管真空封装，后再熔炼合成。合成温度为950～1050℃，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700～80℃立即在水中淬火，将淬火后的铸锭粉碎、球磨，球磨时间10小时。球磨干燥后的粉末经放电等离子烧结制备，烧结温度为500～600℃，烧结压力40～60MPa，制备得到InSn_0.01Li_0.01Se热电材料。

上述制备工艺中，所述InSn_0.01Li_0.01Se热电材料的择优合成温度为1000℃，择优烧结温度为550℃，择优烧结压力50MPa，在烧结温度下保温10分钟。

本发明的优点：采用上述制备工艺所制备得到的该n-型中高温热电材料在813K时，材料的Seebeck系数a=-350.21(mV/K)，电导率s=8.93′10³W^-1·m^-1，热导率k=0.88(W·K^-1·m^-1)，最大热电优值ZT=1.01，是目前所报道的InSe基合金中热电性能较优的材料。该材料采用常规的粉末冶金法制备，工艺简单；采用少量的Sn和Li，成本较低；可应用于中高温发电元器件制作，制成的热电转换器件具有无噪音、无污染，运行可靠，寿命长的特点。适合作为环保型热电材料使用。

附图说明

图1是本发明与其它材料平行于压制方向的热电性能对照示意图。

图2是本发明与其它材料垂直于压制方向的热电性能对照示意图。

以上图中的纵坐标是热电优值ZT；横坐标是温度T/K；并以不同的标记注明其化学成份与实施例的关系。

具体实施方式

下面结合附图，以具体实施例对本发明作进一步描述。