[发明专利]一种稀土掺杂SnTe基热电材料

说明书

技术领域

本发明属于热电材料技术领域，尤其涉及一种稀土掺杂SnTe基热电材料。

背景技术

热电发电机或热电致冷器的材料称为热电材料，是一种能实现电能与热能交互转变的材料。由热电材料制作的温差发电和制冷器件具有无污染、无噪声、易于维护、安全可靠等优点。最早苏联利用煤油灯或木材作为热源在边远地区为家用无线电接收机供电。随着空间探索兴趣的增加、以及在地球日益增加的资源考察与探索活动，需要开发一类能够自身供能且无需照看的电源系统，热电发电对这些应用尤其合适。对于遥远的太空探测器来说，放射性同位素供热的热电发电器是唯一的供电系统。已被成功的应用于美国宇航局NASA发射的Apollo，Pioneer，Voyager和Ulysses等20多个宇航器上。在俄罗斯，有1000余个类似的放射性同位素温差发电器装置用于北极圈附近的海洋灯塔，具有免维护运行20年设计寿命。近十几年，我国在利用自然界温差和工业废热热电发电上也进行了大量的研究，并取得了较大的进展，具有良好的综合社会效益。热电制冷机具有机械压缩制冷机难以媲美的优点：尺寸小、质量轻、无任何机械转动部分，工作无噪声，无液态或气态介质，因此不存在污染环境的问题，可实现精确控温，响应速度快，器件使用寿命长。还可为超导材料的使用提供低温环境。另外利用热电材料制备的微型元件用于制备微型电源、微区冷却、光通信激激光二极管和红外线传感器的调温系统，大大拓展了热电材料的应用领域。在电子产品的散热，生物医学手术中的温度控制方面均具有良好的应用前景。应该说，热电材料是一种有着广泛应用前景的材料，在环境污染和能源危机日益严重的今天，进行新型热电材料的研究具有很强的现实意义。

热电转换技术可以实现热能和电能直接相互转换，是当前新能源研究的重点课题之一。大力发展热电发电技术在太阳热能发电(开源)和余热废热发电(节流)等领域的应用可以有效缓解我国当前能源紧缺和环境污染问题，具有重要的战略意义。热电材料的性能由无量纲优值ZT＝[S²σ/(κ_e+κ_L)]T表征，提高电导率σ和塞贝克系数S，同时降低热导率κ(κ是载流子热导率κ_e和声子热导率κ_L之和)是材料优化的关键,但该三个物理量相互关联，使得性能的优化受到实际的限制。近年来，通过采用能带工程、纳米工程以及新材料的不断开发，在提高峰值热电优值方面取得了大量进展。

无铅SnTe具有同硫属化铅一样的面心立方结构，由于SnTe具有较高的本征Sn空位，引起较高的本征载流子浓度，使得该材料的热导率较高，而Seeebeck系数和ZT值较低，因此长期以来并没有得到重视。无铅的IV-VI族热电材料SnTe的性能如果能够进一步提高，有待取代普遍应用的其他铅基的IV-VI族热电材料。而未掺杂SnTe基材料具有较高的本征Sn空位，引起较高的本征载流子浓度，使得该材料的热导率较高，而Seeebeck系数和Z值较低。虽然采用In掺杂可以通过引入共振能级提高材料的Seebeck系数，但该方法对掺杂剂的要求较高，性能提高幅度有限，共振能级的引入会降低载流子迁移率。

发明内容

针对以上技术问题，本发明公开了一种稀土掺杂SnTe基热电材料，直接调节载流子浓度降低空穴含量，提高材料的Seebeck系数，方法简单，可调控性强。

对此，本发明采用的技术方案为：

一种稀土掺杂SnTe基热电材料，所述SnTe基热电材料中掺入稀土元素，所述稀土元素掺杂的原子百分含量为0.1～2％。此技术方案采用稀土元素对SnTe基热电材料进行掺杂，可以直接调节载流子浓度降低空穴含量，提高材料的Seebeck系数，方法简单，可调控性强，稀土元素地球储量丰富，被证明可以对SnTe基材料载流子调控产生有利影响。当稀土元素掺入后，容易取代Sn位，作为施主降低本征Sn空穴浓度，优化载流子浓度，从而提高了材料的热电性能。

作为本发明的进一步改进，所述SnTe基热电材料中掺入稀土元素，所述稀土元素掺杂的原子百分含量为0.5～1.5％。其中，所述原子百分含量为原子个数百分含量。

作为本发明的进一步改进，所述SnTe基热电材料中掺入稀土元素，所述稀土元素掺杂的原子百分含量为0.5％。

优选的，所述稀土元素为轻稀土元素或重稀土元素。

作为本发明的进一步改进，所述稀土元素为La、Ce、Pr、Nd、Sm或Gd中的至少一种。所述La、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd为轻稀土元素。