[发明专利]通过Zn掺杂提高SnTe热电性能的方法

说明书

本发明属于材料领域，公开了通过Zn掺杂提高SnTe热电性能的方法，按1‑x:x:1的元素比例分别称取Sn粉、Zn粉和Te粉，其中x的值位0.01～0.05，研磨混合均匀压制成片后放入石英管内抽真空封管，依次通过箱式炉、放电等离子体烧结炉进行烧结，得到Zn掺杂的SnTe化合物热电材料。本发明方法工艺操作简单，可重复性高，所制得的SnTe掺Zn化合物具有结晶度高、杂质少、致密度高等特性，并可使SnTe热电材料性能大幅提高。

技术领域

本发明属于热电材料领域，涉及一种通过Zn掺杂提高SnTe热电性能的方法。

背景技术

自工业革命以来，能源问题就成为了横亘在世界各国经济发展中难以逾越的鸿沟。随着世界经济社会规模的快速扩大，能源消耗日益增多，人们更加清楚地认识到当今世界中能源的重要性，尤其发生的数次石油危机使能源问题成为了人们议论的焦点，也使得政府将更多地关注投向能源的可持续发展。

热电材料可在热能与电能之间进行直接转换，具有体积小、不排放污染物、可靠性高、环境友好、适用温度范围广等优点，并被成功的应用于以放射性同位素供热的热电器件作为唯一的供电系统的太空探测器中。此外，日本于20世纪70年代末开发出制冷效率约为20％的温差电家用冰箱样机。因此，进行热电材料的研究对于解决能源危机与环境污染具有很强的现实意义。

热电材料的发电效率主要由热电材料的无量纲热电优值(ZT值)决定。ZT＝TS²σ/κ，其中S、σ、κ分别表示Seebeck系数、电导率和热导率。理想的热电材料需要具有高的Seebeck系数及较大的电导率，同时要求热导率κ尽可能的低，而由于这几个热电参数之间的相互耦合，使得热电材料难以获得高热电优值ZT。

PbTe基热电材料以其优良的性能得到了广泛的关注研究，并成功应用于空间探测、废热回收等领域。然而由于Pb的存在不符合环保的要求，因此推动与PbTe结构相似且对环境友好的SnTe作为其替代品的呼声日益高涨。但SnTe母体较低的热电性能，严重阻碍了其商业化应用，且目前国内对于SnTe基热电材料的相关报道还处于初始研究阶段。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种直接用于热电转换和热电机理研究，制备工艺简单、热电优值提高幅度较大的SnTe基热电材料的制备方法。

具体的技术方案为：

通过Zn掺杂提高SnTe热电性能的方法，包括以下步骤：

(1)分别按1-x:x:1的摩尔比例称取Sn粉、Zn粉和Te粉，其中x的值取0.01～0.05；随后于玛瑙研钵中研磨30min，使以上三种粉末混合均匀；

(2)将混合均匀的粉末转入到直径Φ＝10mm的钢制模具内，用3～5MPa的压力持续5～10min；

(3)将压制好的圆柱形片状样品移入到洗净的Φ＝20mm石英管内；利用氢氧发生机进行封管；先用机械泵抽预真空，再用分子泵抽真空至10^-3Pa，封管；

(4)将装有样品的石英管置于箱式炉中进行烧结；

(5)第一次烧结升温：经过200～1000min从室温升至530℃，保温2880min；再经过200～400min升温至830℃，保温720min；自然冷却降温至800℃，随后使用冷水进行淬火。

(6)取出烧制过的铸锭于高纯氩气手套箱中，在玛瑙研钵中研磨30min，再通过300目的筛网，使粉末粒径均匀；

(7)将通过筛网后的粉末转入直径Φ＝10mm的石墨模具中，用1～3MPa的压力持续5～10min；

(8)将石墨模具置于放电等离子体烧结炉中，于60MPa的压力下2～12min从室温升至560℃，保温3min；再经过40～200min无压力降温至室温。