[发明专利]一种快速筛选性能优化的热电材料的方法

说明书

本发明公开了一种快速筛选性能优化的热电材料的方法，首次采用等离子体活化烧结技术制备多元硫族化合物体系扩散偶，获得组成、微结构丰富的块体材料样品库；再结合EPMA（电子探针X射线显微分析仪）、FESEM（场发射扫描电子显微镜）及PSM（电导率‑塞贝克系数扫描探针显微镜）等表征技术，探究样品库的组成、结构和热电性能的关系，从而高通量筛选出具有特殊组成及微结构的高性能热电材料。该方法有效提高了试验获得信息的密度和效率，显著降低了实验所需的人力、物力和成本，可高效探索出性能优异的热电材料。

技术领域

本发明属于材料制备及表征技术领域，具体涉及一种快速筛选性能优化的热电材料的方法。

背景技术

温差发电技术利用热电材料的Seebeck效应实现热能到电能的直接转换，在工业废热回收、汽车尾气废热发电和太阳能光电-热电复合发电等领域具有重要应用前景。热电材料是温差发电技术中的关键材料，它的性能直接决定热电发电的效率和成本。热电材料的性能用无量纲优值ZT=α²σT/κ表示，好的热电材料应该具有大的Seebeck系数α、高的电导率σ和低的热导率κ，ZT值越大，热电转换效率越高。

根据固体能带理论，好的热电材料应为窄带半导体，且载流子的浓度在10¹⁹cm^-3左右，同时应至少满足以下四个条件：（1）接近费米能级的电子能带具有高的简并度，有尽可能多的能谷，有较大的载流子有效质量；（2）化合物中组成元素的电负性差别不能太大，减少载流子传导过程中的极性散射，保证载流子具有较高的迁移率；（3）材料的禁带宽度E_g在5~10k_BT左右(T为材料的使用温度)，如T=300K时对应的E_g在0.12~0.25eV；（4）化合物一般由原子质量大的元素构成，且具有大和复杂的结晶学原胞以使材料具有尽可能低的晶格热导率。因此，在优化选择新的热电材料体系时，人们一般选择具有高对称性的晶体结构、组成原子电负性差异较小和含有重元素的化合物作为研究对象，目前发现的具有较好性能的热电材料体系基本满足以上要求。如Bi₂Te₃中原子电负性差异仅为0.3，晶体结构具有六方对称性，且原子质量都较大，禁带宽度为0.13eV。另外，一些新型的热电材料体系，如填充式方钴矿、笼合物、Half-Heusler合金、Zintle相Zn₄Sb₃、LAST化合物和最近发现的具有类金刚石结构的多元硫族化合物半导体等，都基本满足以上要求。

然而，即使在以上这些原则的指导下，研究者在探索新的热电材料体系时，依然必须面对元素周期表中众多的元素进行选择。如具有类金刚石结构的多元硫族化合物可能的组成元素由I~VI族的20多种元素中的一些元素构成，因此，由这些元素构成的可能的三元和四元化合物数量达到上千种，虽然这为我们寻找新的化合物体系提供了广阔的空间，但在实际的研究过程中，我们往往必须根据经验制备特定组成的样品，然后对其结构和性能进行单独表征，分析成分-结构-热电性能之间的关系，通过多次重复这样的过程，从中优选出性能较好的热电化合物。实际的热电材料体系比多元硫族化合物涉及的元素种类更多，随着可能组元的增加，寻找新材料体系的工作量将呈几何级数增长。因此，传统的“一次制备一个组成”的方法在探索新的材料体系时，所需要的实验周期长、工作量大、效率低和成本高。因此，必须探索和发展新的研究方法，高效、低成本和快速的寻找新热电材料体系。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术存在的不足，提供一种快速筛选性能优化的热电材料的方法，该方法涉及的样品库合成工艺简单、周期短，通过探究样品库的组成、结构与热电性能的关系，可在极短时间内筛选出某种新组成及微结构的高性能热电材料，本发明涉及的筛选效率高、能耗低、周期短，适合推广应用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：